光滑与粗糙的阻力系数对比及机理

通常的速度下，比如高尔夫球的速度，比如鲨鱼的速度，都在一个相对较低的范围内，也就是说，通常的速度都在阻力系数图的前段部分。此部分内，粗糙表面阻力系数要比光滑表面阻力系数小。具体机理如上图，光滑表面流体过早分离，前后的压差就较大。而粗糙的表面可以延缓流体的分离，降低压差。因此，粗糙表面阻力较小。

除了高尔夫球的应用，鲨鱼皮肤已经应用于游泳衣了。在鲨皮泳衣被允许参赛的十年内（2000年-2010年），借助于鲨皮泳衣，很多运动员打破了世界纪录。鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶（下图）可以大大减少水流的摩擦力约3%。

鲨皮泳衣

纳尺度下，材料本身的力学行为与宏观状态并不一致。物体间的相互作用是通过物体表面的接触进行的，那么通过改善物体的表面，就可以在一定程度上控制物体间的相互作用。比如，我们较为熟悉的疏水、亲水特性，就是通过改变物体表面形态而实现的。

表面形态处理可以得到疏水和亲水特性

对于抑菌性能来讲，其作用对象是生物体，表面的相互作用除了形貌有关外，还有湿润程度、摩擦力、生物膜有关。表面形貌的不同，是如何抑菌的呢？2008年，Schumacher等在Langmuir期刊发表了相关论文，这应该是领域内较早的论文，目前引用117次（虽然117次引用不少，但是如果是非常有用的开创性工作，十一年来的引用量就有点少了。从侧面表明，这个研究不火。）。检索发现，自称sharklet技术即源于此篇论文。Schumacher建立的下图模型，方块为表面突起，圆形代表微生物。通过改变下面两个方块的长度和距离，来实现抑菌的可能。文中提出了一种假设：我们假设由表面形貌的变化引起的纳米力梯度，将在微生物的初始接触过程中产生诱导应力。这个诱导应力让微生物无法附着在表面。

We hypothesized that nanoforce gradients caused by variations in topographical feature geometry will induce stress gradients within the lateral plane of the membrane (plasma membrane) of a settling cell or microorganism during initial contact.

诱导力模型

实际上，这个所谓的诱导力，是接触过程中接触面积大小不一样导致的。如上图，微生物较大的情况下，短边接触面小，长边接触面大，从而两侧受力不等，微生物就会发生偏移。因此，这个 表面形貌就需要有针对的设计长短了。