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植物葉界面特征對攔截空氣顆粒物的影響及環境指示 版權信息
- ISBN：9787030713780
- 條形碼：9787030713780 ; 978-7-03-071378-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
植物葉界面特征對攔截空氣顆粒物的影響及環境指示 內容簡介
植物葉面的潤濕性是各種生境中常見的一種現象，表現了葉片對水的親和能力；與潤濕相對應的是不潤濕一一即斥水性。植物葉面的潤濕性對滯留、吸附、過濾空氣污染物、截留降水及植物感染病蟲害均具有重要影響；同時植物的潤濕性還為工程仿生設計或制造提供生物學信息。本書介紹了潤濕的基本理論、植物葉面的潤濕特征與影響因素、植物葉面潤濕性時空變化特征、超斥水葉面特征與葉面的層次結構、植物葉界面特征對攔截顆粒物的影響、植物葉面潤濕性對持水的影響及植物葉面對城市空氣環境的指示等。 本書可作為高等院校植物學、環境科學與工程、生態學等相關專業的師生和科研院所的科研人員的參考書，對從事環境保護工作的專業人員和其他人員也有重要參考價值。
植物葉界面特征對攔截空氣顆粒物的影響及環境指示 目錄
目錄
前言
1潤濕的基本理論1
1.1表面與表面自由能1
1.2潤濕現象與表征4
1.3表觀接觸角與非光滑表面的潤濕性11
1.4固體表面自由能的估算14
1.5固體潤濕的性質與潤濕熱15
1.6潤濕劑20
1.7植物葉面潤濕性研究的生態學意義22
2植物葉面的潤濕特征與影響因素27
2.1植物葉面的潤濕特征27
2.2葉面蠟質與潤濕性的關系33
2.3葉面絨毛對潤濕性的影響46
2.4葉表氣孔特征對潤濕性的影響50
2.5葉齡對潤濕性的影響51
3植物葉面潤濕性的時間和空間變化特征57
3.1葉面潤濕性的日變化特征57
3.2葉面潤濕性的季節變化特征63
3.3葉面潤濕性的地帶性變化特征65
4超斥水葉面特征與葉面的層次結構75
4.1葉面的超斥水特征與荷葉效應75
4.2葉面微納二級結構76
4.3葉超斥水表面的微觀機制78
4.4植物葉的原子力顯微鏡觀測81
5植物葉界面特征對攔截顆粒物的影響89
5.1植物葉面對空氣顆粒物的滯留89
5.2天氣狀況對植物葉面滯留顆粒物的影響98
5.3不同城市環境下植物葉面攔截顆粒物的變化104
5.4植物葉面攔截顆粒物的季節變化110
6植物葉面潤濕性對持水的影響119
6.1植物葉片的*大持水量119
6.2幾種典型潤濕性葉面上的液滴形態125
6.3葉片*大持水量與葉面接觸角的關系127
6.4植物葉片能量特征與*大持水量129
7植物葉面對城市空氣環境的指示133
7.1植物葉解剖結構特征對城市空氣環境的響應133
7.2植物葉片波動性不對稱對城市空氣質量的響應147
7.3葉片潤濕性對空氣環境質量的響應153
參考文獻159
附錄168
前言
1潤濕的基本理論1
1.1表面與表面自由能1
1.2潤濕現象與表征4
1.3表觀接觸角與非光滑表面的潤濕性11
1.4固體表面自由能的估算14
1.5固體潤濕的性質與潤濕熱15
1.6潤濕劑20
1.7植物葉面潤濕性研究的生態學意義22
2植物葉面的潤濕特征與影響因素27
2.1植物葉面的潤濕特征27
2.2葉面蠟質與潤濕性的關系33
2.3葉面絨毛對潤濕性的影響46
2.4葉表氣孔特征對潤濕性的影響50
2.5葉齡對潤濕性的影響51
3植物葉面潤濕性的時間和空間變化特征57
3.1葉面潤濕性的日變化特征57
3.2葉面潤濕性的季節變化特征63
3.3葉面潤濕性的地帶性變化特征65
4超斥水葉面特征與葉面的層次結構75
4.1葉面的超斥水特征與荷葉效應75
4.2葉面微納二級結構76
4.3葉超斥水表面的微觀機制78
4.4植物葉的原子力顯微鏡觀測81
5植物葉界面特征對攔截顆粒物的影響89
5.1植物葉面對空氣顆粒物的滯留89
5.2天氣狀況對植物葉面滯留顆粒物的影響98
5.3不同城市環境下植物葉面攔截顆粒物的變化104
5.4植物葉面攔截顆粒物的季節變化110
6植物葉面潤濕性對持水的影響119
6.1植物葉片的*大持水量119
6.2幾種典型潤濕性葉面上的液滴形態125
6.3葉片*大持水量與葉面接觸角的關系127
6.4植物葉片能量特征與*大持水量129
7植物葉面對城市空氣環境的指示133
7.1植物葉解剖結構特征對城市空氣環境的響應133
7.2植物葉片波動性不對稱對城市空氣質量的響應147
7.3葉片潤濕性對空氣環境質量的響應153
參考文獻159
附錄168
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植物葉界面特征對攔截空氣顆粒物的影響及環境指示 節選
1潤濕的基本理論 潤濕是固體表面一種流體代替另一種流體的過程，一般所說的潤濕主要指水在固體表面替代空氣的過程（顧惕人等，1994）。植物葉面的潤濕性是各種生境中常見的一種現象，表現了葉片對水的親和能力；與潤濕相對應的是不潤濕——斥水性。植物葉面的潤濕性對滯留、吸附、過濾空氣污染物，截留降水及植物感染病蟲害均具有重要影響；同時還為工程仿生設計或制造提供生物學信息（石輝等，2011a，2011b;Wang et al.，2013；Wang et al.，2015）。 1.1表面與表面自由能 表面是指固體表層一個或數個原子層的區域。由于表面粒子（分子或原子）沒有相鄰的粒子，其物理性質和化學性質與固體內部明顯不同。在穩定狀態下，自然界的物質通常以氣、液、固三相（形態）存在，任何兩相或兩相以上的物質共存時，會分別形成“氣-液”“氣-固”“液-液”“液-固”“固-固”乃至“氣-液-固”多相界面，習慣上將“氣-液”“氣-固”的界面稱為表面。在物質的內部，由于粒子受到周邊粒子的作用和影響，相互作用抵消，使得內部的能量*低；而在物質的表面，由于缺乏相鄰粒子的作用，聚集了比物質內部的粒子更多的能量。表面能就是表面這種分子間化學鍵破壞的一種度量。 表面張力、表面過剩自由能是描述物體表面狀態的物理量。表面層的液體分子都受到指向液體內部的引力作用，因此，要把液體分子從內部移至表面層中，必須克服這種引力做功，所做的功變成分子勢能。這樣，位于表面層內的液體分子，比起內部的液體分子，具有更大的勢能。表面層中全部分子所具有的額外勢能總和，稱為表面能。表面能是內能的一種形式，液體的表面越大，具有較大勢能的分子數越多，表面能就越大。 液體表面或固體表面分子與其內部分子的受力情形是不同的，因而所具有的能量也是不同的。以液體為例（圖1-1），處在液體內部的分子，四周被同類分子所包圍，受周圍分子的引力是對稱的，因而相互抵消，合力為零；處在液體表面的分子則不然，因為液相的分子密度遠大于氣相，致使合力不再為零，因而具有一定的量值且指向液體的內側。由于這個拉力的存在，使得液體表面的分子，相對于液體內部分子處于較高能量態勢，隨時有向液體內部遷移的可能，處于一種不穩定的狀態。液體表面分子受到的拉力形成了液體的表面張力，相對于液體內部所多余的能量，就是液體的表面過剩自由能。由于表面張力或表面過剩自由能的存在，在沒有外力作用時，液體都具有自動收縮成為球形的趨勢，這是因為在體積一定的幾何形體中球體的表面能*小。系統處于穩定平衡時，勢能*小。因此，一定質量的液體，其表面要盡可能收縮，使表面能*小。 圖1-1液體表面、內部分子的能量 1.1.1液體的表面張力與表面自由能 為了使整體能量趨向*小，液體表面一般表現出收縮其表面積的傾向。由于在等體積（等質量）的液體中，球體的表面積*小，因此一般的雨滴、水滴、露珠等往往呈現為球狀。液體的表面張力就是使液體表面積收縮的拉力，表現為液體表面任意兩相相鄰部分之間垂直于它們的單位長度分界線相互作用的拉力，單位為N/m或mN/m。液體的表面張力作用點是在表面上，對于液體的彎曲面則為切線方向，*大的特點就是使表面收縮，其大小是單位長度上的力。 肥皂膜實驗是經典的表面張力觀測實驗（圖1-2），當力達到平衡時， f=γ×2L（1-1）式中，f是外力；γ為比例系數，稱為表面張力系數，簡稱表面張力；“2”是因為液膜有厚度，有兩個面；L是長度。 圖1-2肥皂膜實驗 當液膜在外力f作用下移動dx距離，則做的功大小為δw=fdx；對于可逆過程，W=2Lγd。 在恒溫恒壓的可逆過程中，所做的功等于體系吉布斯自由能的增量，即（1-2）于是（1-3） 從式（1-2）中可以看出，γ為恒溫恒壓下增加單位表面積時體系吉布斯自由能的增量。因此，液體表面張力和表面自由能在數值上的相等，實質上體現了功和能的關系。單位之間存在J m2=N m/m2=N/m轉換關系。 物質本性是影響表面張力*主要的因素。在室溫（20 ℃左右）條件下，水的表面張力為72 mN/m、汞的表面張力為470 mN/m，而大部分液體的表面張力在20～40 mN/m。液態金屬的表面張力都比較大，1131℃液態銅的表面張力可高達1103 mN/m。一些在常溫下為氣態的元素，在低溫下處于液態時，表面張力卻很小，如溫度為4.3 K時，液氦的表面張力僅有0.098 mN/m，當溫度為90.2 K時，液氫的表面張力為0.2 mN/m。這種表面張力的差異，主要是由不同物質之間的分子作用力的不同所致。除物質的本性之外，溫度和壓力等也是影響液體表面張力的因素。一般隨著溫度的升高，大多數物質的表面張力下降，隨著壓力的增加而減小；同時液體中加入各物質會形成溶液從而對液體表面張力產生影響。 1.1.2固體表面張力與表面自由能 液體表面在靜止條件下呈現為光滑的表面，而固體表面因存在一定的粗糙度而表現出凹凸不平的情景。由于固體表面各種斷鍵的存在，表面出現各種不完整性和不均勻性，而這種特性使得固體表面對分子的吸附存在著不同。 固體表面自由能(GS)是恒溫恒壓條件下形成單位新固體表面所引起的自由能增量，可表示為 在固體形成新表面時，其表面張力(γS)是新產生的兩個固體表面應力的平均值，即式中，τ1和τ2為兩個新表面的表面應力，通常τ1=τ2=γ。 在一定溫度壓力下形成固體表面面積為A時，體系的吉布斯函數增量為d（AGS），它等于反抗表面張力所需的可逆功。（1-6）或（1-7）所以（1-8） 這說明，固體的表面張力包括兩個部分：一部分是表面能的貢獻，它是由物質內部分子變成表面分子，新增的表面分子數目引起的吉布斯自由能的變化；另一部分是表面積所引起的自由能的變化。表面自由能也可以認為材料表面相對于材料內部所多出的能量。 1.2潤濕現象與表征 在自然界經常可以發現，將水滴在玻璃板上，水滴可以迅速鋪開；而如果是汞滴在玻璃板上，汞滴會呈現球狀，如圖1-3所示。一般將這種液體在分子力作用下沿固體表面鋪展的現象叫潤濕，它實質上是固體表面上的氣體被液體所替代的過程。 圖1-3水滴和汞滴在玻璃板上的鋪展 1.2.1潤濕現象的分類 液體在固體表面的潤濕現象可分為三類：沾濕、浸濕和鋪展。 （1）沾濕 沾濕是液體與固體接觸，將“氣-液”界面和“氣-固”界面變為“固-液”界面的過程，如圖1-4所示。在沾濕過程中，新形成的“液-固”界面增加了自由能，而被取代的“氣-液”“氣-固”界面減少了自由能。單位面積、恒溫恒壓條件下，其吉布斯自由能變化為：（1-9）式中，分別表示“液-固”“氣-固”和“氣-液”界面張力。并令Wa=－ΔG，則（1-10） 圖1-4沾濕過程示意圖 注：S代表固體，G代表氣體，L代表液體 式中，Wa稱為黏附功，是“固-液”沾濕時體系對環境所做的*大功。一般Wa愈大，所形成的“固-液”體系愈穩定，則黏附效果越好。農藥能否附著在植物體上、附著的效果如何就是黏附問題。Wa≥0，則ΔG≤0，沾濕過程可自發進行。“固-液”界面張力總是小于它們各自的表面張力之和，這說明“固-液”接觸時，其黏附功總是大于零。因此，不管什么液體和固體，沾濕過程總是可自發進行的。 （2）浸濕 浸濕是把固體浸沒在液體中，“氣-固”界面轉化為“液-固”界面的過程，如圖1-5所示。在浸濕過程中，液體表面在此過程中沒有變化。所以，在恒溫恒壓條件下，如浸濕面積為單位面積，則該過程的吉布斯自由能變化為（1-11）或（1-12）式中，Wi稱為浸濕功，Wi>0是液體自動浸濕固體的條件；一般Wi愈大，則液體在固體表面上取代氣體的能力越強。在潤濕作用中，有時Wi又被稱為黏附張力，用A來表示：（1-13） 圖1-5浸濕過程示意圖 在多孔介質上的浸濕過程就是常說的滲透過程，其核心是毛細現象。滲透過程的驅動力是由彎月面產生的附加壓力(Δp)：（1-14） 式中，r為毛細管半徑；θ為接觸角；當0°≤θ≤90°，Δp向著氣體方向，滲透可以自發地進行，如圖1-6所示。 圖1-6滲透過程示意圖 （3）鋪展 鋪展是液體在固體表面上擴展過程中，“固-液”界面代替“固-氣”界面的同時，液體表面擴展的過程，體系還增加了同樣面積的“氣-液”界面，如圖1-7所示。所以，在恒溫恒壓下，如果液體鋪展了單位面積，則體系的吉布斯自由能變為（1-15） 或（1-16） 式中，S為鋪展系數，S>0是液體在固體表面上自動展開的條件。當S>0時，只要有足夠的液體就會連續不斷地從固體表面取代氣體，直至鋪展整個固體表面。 圖1-7液體在固體表面上的鋪展 進一步分析可發現，Wa>Wi>S；故只要S>0，即為能自動鋪展的體系，其潤濕過程皆能自發進行，因此常用鋪展系數作為潤濕體系的表征。 1.2.2接觸角與潤濕方程 1.2.2.1接觸角與潤濕性的關系 接觸角是固、液、氣三相交界處，自“固-液”界面經液體內部到“氣-液”界面之間的夾角，通常以θ表示，是潤濕性*為直接的一個表征指標，如圖1-8所示。固體表面液滴接觸角是固體、液體、氣體交界面表面張力平衡的結果，光滑表面上處于穩定或亞穩定狀態的液滴接觸角服從Young方程（Young，1805）：（1-17） 式中，分別為與液體的飽和蒸汽呈平衡時液體的表面自由能（表面張力）、固體的表面自由能（表面張力）、固液間的界面自由能（界面張力）；θ為材料的本征接觸角。 圖1-8接觸角與潤濕性的關系
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