荷叶效应与纳米涂层 荷叶效应与纳米涂层 有的叶子上，水珠晶莹剔透，可以滚来滚去，就象下面的荷叶。即使在上面浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。如果建筑物的外墙、露天的广告牌等等表面也象荷叶一样，不就可以永保清洁而免去清洗的麻烦了吗？这种具有“自清洁”能力的表面，在人们搞明白了“出污泥而不染”的原因之后，通过应用纳米技术已经实现了。 一、从接触角谈起 当接触角很大的时候，水珠就呈现球形，水和叶子接触的地方非常小，水不会再一个地方呆着，整个水珠可以滚来滚去。 二、荷叶效应 直到二十世纪七十年代，因为扫描电子显微镜的使用，人们才开始明白荷叶高度疏水的原因。下面是用电子扫描显微镜“看”到的荷叶表面。 荷叶表面原来非常的粗糙！左边的照片上的标度是20微米（微米是千分之一毫米），也就是说，荷叶表面布满了大小在几微米到十几微米之间的突起。如果把这些突起继续放大，如右边的图，每个突起上还布满了更小的突起，或者说细毛。荷叶的超强疏水性，原来不仅跟表面疏水性有关，还跟这种超微结构有关。： 前面说了，接触角的形成是减小整个体系总界面能的结果。对于一个疏水的固体表面来说，当表面不平有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，水与固体的接触面积会大大减小。具体的数学推导在这里就省略了，总之，科学家们可以从物理化学的角度用数学来证明：当疏水表面上有这种微细突起的时候，固体表面的接触角会大大增加。当接触角不是特别大的时候，象第一副图中的草叶上，水滴呈半球形，而半球形是无法滚动的。如果有了这种超微结构，象荷叶表面，接触角接近180度，水滴接近于球形。而球，可以很自如地滚动。即使叶子上有了一些脏的东西，也会进入水中被水带走。这样接触角非常大的表面（通常大于150度），就被称为“超疏水表面”，而一般的疏水表面只要接触角大于90度就行了。超疏水表面的特性就在于：水在上面形成球状滚动，同时带走上面的污物，这样的表面就具有了“自清洁”的能力。 三、荷叶效应的应用——“自清洁表面” 莲花效应主要是指莲叶表面具有超疏水(superhydrophobicity)以及自洁(self-cleaning)的特性。由于莲叶具有疏水、不吸水的表面，落在叶面上的雨水会因表面张力的作用形成水珠，换言之，水与叶面的接触角(contactangle)会大于150度，只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚离叶面。因此，即使经过一场倾盆大雨，莲叶的表面总是能保持干燥；此外，滚动的水珠会顺便把一些灰尘污泥的颗粒一起带走，达到自我洁净的效果，这就是莲花总是能一尘不染的原因。 巴特洛特他们在显微镜下发现，莲叶的表面有一层茸毛和一些微小的蜡质颗粒，水在这些纳米级的微小颗粒上不会向莲叶表面其他方向蔓延，而是形成一个个球体，就是我们看到莲叶上滚动的雨水或者露珠，这些滚动的水珠会带走叶子表面的灰尘，从而清洁了叶子表面。 莲花效应的效率极高。科学家们模拟莲叶的表面，发明了纳米自清洁的衣料和建筑涂料，只需一点水形成水滴，就可以自动清洁衣物和建筑表面。 莲花效应分析 水滴落在荷叶上，会变成了一个个自由滚动的水珠，而且，水珠在滚动中能带走和叶表面尘土。荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基（-OH）、（-NH）等极性基团，在自然环境中很容易吸附水分或污渍。而荷叶叶面都具有极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的“荷叶自洁效应”。 经过两位德国科学家的长期观察研究，即上世纪九十年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到，荷叶表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是“莲花效应”能自洁叶面的奥妙所在。 研究表明，这种具有自洁效应的表面超微纳米结构形貌，不仅存在于荷叶中，也普遍存在于其它植物中。某些动物的皮毛中也存在这种结构。其实植物叶面的这种复杂的超微纳米结构，不仅有利于自洁，还有利于防止对大量漂浮在大气中的各种有害的细菌和真菌对植物的侵害。另外，更重要的是，为了提高叶面吸收阳光的效率，进而提高叶面叶绿体的光合作用。
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