蓮花效應(yīng)概述

中文名稱：蓮花效應(yīng)

拼音名稱：lián huā xiào yìng

英文名稱：Lotus Effect

20世紀(jì)70年代，波恩大學(xué)的植物學(xué)家巴特洛特在研究植物葉子表面時(shí)發(fā)現(xiàn)，光滑的葉子表面有灰塵，要先清洗才能在顯微鏡下觀察，而蓮葉等可以防水的葉子表面卻總是干干凈凈。他們發(fā)現(xiàn)，蓮葉表面的特殊結(jié)構(gòu)有自我清潔功能。蓮花出污泥而不染，自古以來就被人們認(rèn)為是純潔的象征，所以這一自我清潔功能又被稱為“蓮花效應(yīng)”。

蓮花效應(yīng)主要是指蓮葉表面具有超疏水(superhydrophobicity)以及自潔(self-cleaning)的特性。由于蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會(huì)因表面張力的作用形成水珠，換言之，水與葉面的接觸角(contactangle)會(huì)大于150度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會(huì)滾離葉面。因此，即使經(jīng)過一場傾盆大雨，蓮葉的表面總是能保持干燥;此外，滾動(dòng)的水珠會(huì)順便把一些灰塵污泥的顆粒一起帶走，達(dá)到自我潔凈的效果，這就是蓮花總是能一塵不染的原因。

巴特洛特他們?cè)陲@微鏡下發(fā)現(xiàn)，蓮葉的表面有一層茸毛和一些微小的蠟質(zhì)顆粒，水在這些納米級(jí)的微小顆粒上不會(huì)向蓮葉表面其他方向蔓延，而是形成一個(gè)個(gè)球體，就是我們看到蓮葉上滾動(dòng)的雨水或者露珠，這些滾動(dòng)的水珠會(huì)帶走葉子表面的灰塵，從而清潔了葉子表面。

蓮花效應(yīng)的效率極高?？茖W(xué)家們模擬蓮葉的表面，發(fā)明了納米自清潔的衣料和建筑涂料，只需一點(diǎn)水形成水滴，就可以自動(dòng)清潔衣物和建筑表面。

一種仿生復(fù)合材料所具有的特性，像荷葉一樣具有自動(dòng)清潔的功能，故稱蓮花效應(yīng)。

刀刃的表面無法被水珠附著的事實(shí)已經(jīng)被驗(yàn)證而且廣為人知。但是人們往往會(huì)忽視這樣的表面同樣很難被弄臟。

在一個(gè)光滑的表面上臟的顆粒只會(huì)隨著水滴的滴落而移動(dòng)，他們附著在水滴滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的粗糙表面上從而被洗刷下來。這種關(guān)系只在最近才被注意到而且用實(shí)驗(yàn)得以證實(shí)。

因?yàn)樵趤喼尬幕斜豢醋骷儩嵪笳魑锏纳徎ǖ拇笮皖愃朴诙芘菩螤畹娜~片上常?？梢砸姷竭@種現(xiàn)象，所以人們把它成為“蓮花效應(yīng)”。

如果水滴滾過蓮花的葉片，它們將卷起所有的灰塵微粒并將它們帶離葉片。這個(gè)“蓮花效應(yīng)”原理如此有效，以至于即使是在被“蹂躪”過的蓮花葉片上依然無法使得水珠和灰塵微粒附著。

特殊的表面結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生蠟質(zhì)的功能使得蓮花的葉片幾乎不受其他自然界現(xiàn)象的影響。它與人類對(duì)自然界影響的反應(yīng)很不相同，如對(duì)環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)的影響反應(yīng)等等。對(duì)于目前不得不廣為使用的屬于表面活性劑的化學(xué)物質(zhì)來說，為了達(dá)到保持植物中有效營養(yǎng)成分的目的，它們被全世界的植物代理商廣泛使用。這些活性劑不僅破壞了蠟質(zhì)晶體的完美結(jié)構(gòu)，使得葉片容易被水潤濕。而且造成這樣的后果：就是植物上的臟物質(zhì)將無法再被徹底清除，而在不理想的環(huán)境中，還將被孢子、真菌或者細(xì)菌這些可以感染植物的微生物所侵染。

蓮花效應(yīng)描繪了一個(gè)很有效的生物模型系統(tǒng)，用它可以來制作人工的防污表面，因?yàn)樗谝粋€(gè)純物理化學(xué)的原理。

有許多的領(lǐng)域和方面需要這種應(yīng)用，如衣料的外表面、房頂、自動(dòng)噴漆器等等。如果可以使得這些領(lǐng)域的自清潔功能得以實(shí)現(xiàn)，顯然會(huì)帶來很多好處，而且可以節(jié)省清潔花費(fèi)的費(fèi)用。在工業(yè)合作中，目前正在努力將蓮花效應(yīng)轉(zhuǎn)化成實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用。雖然肯定還需要耗費(fèi)一些時(shí)間，但是肯定遲早會(huì)有這種實(shí)用的產(chǎn)品走向市場。

 蓮花效應(yīng)啟示

周敦頤在《愛蓮說》中曾說：「蓮花出淤泥而不染」，這正是大自然中神奇的地方。但是為什么呢?后來科學(xué)家進(jìn)一步的研究其構(gòu)造及原因，并取名為──蓮花效應(yīng)。我們將以此現(xiàn)象作為探討，深入并研究所能應(yīng)用的范圍和成效。

更深廣的意義，影射到我們要學(xué)習(xí)蓮花的自潔功能，無論世界多么骯臟，環(huán)境多么惡劣，我們都要出淤泥而不染，一個(gè)高尚的人應(yīng)該如此。

唐代鄭允瑞在《詠蓮》說：『本無塵土氣，自在水云鄉(xiāng);楚楚凈如拭，亭亭生妙香?！凰未芏仡U在《愛蓮說》中道出：『予獨(dú)愛蓮之出淤泥而不染』的一句話。在自然界中常常有著不為人之的小秘密，而蓮的特性古人就早有記載，隨著科技的進(jìn)步，科學(xué)家慢慢的分析其中的奧秘。我們將討論蓮出淤泥而不染的真實(shí)性!

德國教授巴斯洛得利用人造的灰塵粒子污染赫蕉、倪藤、玉蘭、林山毛櫸、蓮花、芋、甘藍(lán)及Mutisiadecurrens等八種植物的葉面，然后用人造雨清洗兩分鐘，最后將葉面傾斜15度，使雨水滑落，觀察葉子表面灰塵粒子殘留的狀況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，前四種植物之葉面，所殘留的污染物多達(dá)40﹪以上;而后四種植物，污染物所殘留的比例皆小于5﹪.

蓮之所以出淤泥而不染的原因是蓮花的表面非常細(xì)致，其細(xì)致的表面放大千百倍也看不到其中的細(xì)孔，表面結(jié)構(gòu)與粗糙度皆為納米的尺寸使得表面不沾水，所以灰塵或泥巴都無法吸附在表面上，故污垢自然隨水滴從表面滑落。蓮花運(yùn)用自然的奈米結(jié)構(gòu)達(dá)到自潔的效果，如此表面自我潔凈的物理現(xiàn)象稱為『蓮花效應(yīng)』!

蓮花效應(yīng)分析

水滴落在荷葉上，會(huì)變成了一個(gè)個(gè)自由滾動(dòng)的水珠，而且，水珠在滾動(dòng)中能帶走和葉表面塵土。荷葉的基本化學(xué)成分是葉綠素、纖維素、淀粉等多糖類的碳水化合物，有豐富的羥基(-OH)、(-NH)等極性基團(tuán)，在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污漬。而荷葉葉面都具有極強(qiáng)的疏水性，灑在葉面上的水會(huì)自動(dòng)聚集成水珠，水珠的滾動(dòng)把落在葉面上的塵土污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是著名的“荷葉自潔效應(yīng)”。

為什么會(huì)有這種“蓮花效應(yīng)”，用傳統(tǒng)的化學(xué)分子極性理論來解釋，不僅解釋不通，恰恰是相反。從機(jī)械學(xué)的光潔度(粗糙度)角度來解釋也不行，因?yàn)樗谋砻婀鉂嵍雀具_(dá)不到機(jī)械學(xué)意義上的光潔度(粗糙度)，用手觸摸就可以感到它的粗糙程度。

經(jīng)過兩位德國科學(xué)家的長期觀察研究，即上世紀(jì)九十年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到，荷葉表面上有許多微小的乳突，乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而每個(gè)乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。在荷葉葉面上布滿著一個(gè)挨一個(gè)隆起的“小山包”，它上面長滿絨毛，在“山包”頂又長出一個(gè)饅頭狀的“碉堡”凸頂。因此，在“山包”間的凹陷部份充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，只有納米級(jí)厚的空氣層。這就使得在尺寸上遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上后，隔著一層極薄的空氣，只能同葉面上“山包”的凸頂形成幾個(gè)點(diǎn)接觸。雨點(diǎn)在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動(dòng)中吸附灰塵，并滾出葉面，這就是“蓮花效應(yīng)”能自潔葉面的奧妙所在。

研究表明，這種具有自潔效應(yīng)的表面超微納米結(jié)構(gòu)形貌，不僅存在于荷葉中，也普遍存在于其它植物中。某些動(dòng)物的皮毛中也存在這種結(jié)構(gòu)。其實(shí)植物葉面的這種復(fù)雜的超微納米結(jié)構(gòu)，不僅有利于自潔，還有利于防止對(duì)大量漂浮在大氣中的各種有害的細(xì)菌和真菌對(duì)植物的侵害。另外，更重要的是，為了提高葉面吸收陽光的效率，進(jìn)而提高葉面葉綠體的光合作用。

探討接觸角

前面談到接觸角，那么接觸角又代表什么意義呢?接觸角表示某種液體對(duì)于某種材料或者表面的潤濕性能。當(dāng)接觸角很小時(shí)，如水滴在玻璃基板上的情形，表示液體易濕潤固體表面。但是如果接觸角像水銀液滴在玻璃基板上那么大，代表液體不易濕潤此表面。因此我們考慮2種極端現(xiàn)象：當(dāng)接觸角為0度時(shí)，表示液體能完全的濕潤固體表面;當(dāng)接觸角為180度時(shí)，代表液體完全不能濕潤固體表面。

現(xiàn)在我們回到蓮葉的接觸角，水滴在蓮葉上的表面接觸角很大時(shí)，這代表蓮葉與空氣間的接口張力很低，小水滴不容易濕潤蓮花表面.

討蓮葉表面

蓮葉表面的化學(xué)組成為臘。一般而言，水在一般的臘上接觸角為110度，但是水在蓮花的接觸角卻大于140度，所以除了臘之外，可能還有其它因素使水在蓮葉上的接觸角大于140度。那到底還有什么因素呢?

其實(shí)蓮花表面上有類似纖維的奈米結(jié)構(gòu)。通常表面變得粗糙，會(huì)使水分葉面的接觸角變大。由于蓮葉的表面為臘的疏水性結(jié)構(gòu)，接觸角原本大于90度，再加上粗糙面使水在葉面上的接觸角變?yōu)榇笥?40度，水滴很難留在其上。

同樣地，當(dāng)灰塵附著于蓮葉表面上時(shí)，因?yàn)樯徣~表面的纖毛結(jié)構(gòu)，使灰塵和蓮葉的接觸面積減少，因此減少了灰塵和蓮葉間的吸附力量。而當(dāng)水滴由葉面上滾過時(shí)，由于灰塵和水滴間的接觸面積大，灰塵粒子和水滴間有較強(qiáng)的吸附力，所以很容易就被水滴帶走，這就是蓮花為何能出淤泥而不染了。由于蓮葉表面同時(shí)擁有這種納米尺寸的物理結(jié)構(gòu)與疏水性的化學(xué)組成，因此才具有自潔的功能。

自然界的現(xiàn)象給了科學(xué)家無限的想象與創(chuàng)意。把透明疏油、疏水的納米材料顆粒作成涂料涂刷在建筑物表面(例如 Ispo 公司)，大樓不會(huì)被空氣中的油污弄臟，鍍?cè)诖皯舨ＡП砻嫔希Ａб踩缤扇~一般自凈而永遠(yuǎn)透明。或?qū)⑦@種納米顆粒放到纖維中，做成防塵的衣物，也許可省去不少洗衣的麻煩。

蓮花效應(yīng)的應(yīng)用

模仿蓮葉自潔的功能，可以應(yīng)用于表面納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)，可開發(fā)出自潔、抗污的奈米涂料。有些納米涂料里滲有二氧化鈦的物質(zhì)。將二氧化鈦等納米微粒加到衣服的纖維里頭可使普通的衣服化身為可防震、除臭、殺菌，最重要的是自潔。臺(tái)灣的氣候濕熱，更需要這種東西。

在自然界這個(gè)小小的圈子里，藏著大大的驚奇。有許多事情要試著去接近、感受它，才能得到更多的知識(shí)。我們先了解到自然界中許多的生物在人類的科技進(jìn)步之前早就有了微觀的構(gòu)造，從公分、公厘、甚至達(dá)到微米、納米，而在蓮葉上我們找到了納米級(jí)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。這種細(xì)小的突起物，使得水珠不易吸附在蓮葉上。當(dāng)葉面傾斜到一定角度時(shí)，水珠會(huì)沿著葉面滑落并帶走上面的污染物，達(dá)到自潔的效果。這種特性也可以應(yīng)用在玻璃上，例如：經(jīng)過納米處理的玻璃本身也具有自潔的效果，這就可以運(yùn)用在戰(zhàn)機(jī)的雷達(dá)上。最近許多廠商也利用納米技術(shù)處理涂料，物體涂上此涂料也將擁有自潔的效果。當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)普及化后，世界也將會(huì)改觀。不會(huì)臟的地板、墻壁、和沒有灰塵阻撓的無線電用品，將會(huì)不斷的出現(xiàn)，人類的生活也會(huì)更加進(jìn)步。

蓮花效應(yīng)描繪了一個(gè)很有效的生物模型系統(tǒng)，用它可以來制作人工的防污表面，因?yàn)樗谝粋€(gè)純物理化學(xué)的原理。有許多的領(lǐng)域和方面需要這種應(yīng)用，如衣料的外表面、房頂、自動(dòng)噴漆器等等。如果可以使得這些領(lǐng)域的自清潔功能得以實(shí)現(xiàn)，顯然會(huì)帶來很多好處，而且可以節(jié)省清潔花費(fèi)的費(fèi)用。在工業(yè)合作中，目前正在努力將蓮花效應(yīng)轉(zhuǎn)化成實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用。雖然肯定還需要耗費(fèi)一些時(shí)間，但是肯定遲早會(huì)有這種實(shí)用的產(chǎn)品走向市場。

蓮花效應(yīng)實(shí)質(zhì)為既疏水也疏油的超雙疏效應(yīng)，超雙疏納米材料舉例：

經(jīng)過超雙疏技術(shù)處理過的各種紡織材料(棉、麻、絲、毛、絨、混紡、化纖等)等不僅顯示出卓越的疏水疏油性能(包括蔬菜瓜汁、墨水、醬油等各種物質(zhì))，而且不改變?cè)锌椢锏母鞣N性能(纖維強(qiáng)度、染料親和性、耐洗滌性、透氣性、皮膚親和性、免熨性等)，甚至還增加了殺菌、防輻射、防霉等特殊效果。

更為重要的是將從此改變?nèi)藗兇罅渴褂孟礈靹┫匆碌牧?xí)慣，服裝將大大減少洗滌次數(shù)，洗滌時(shí)也只需用水輕漂，大大節(jié)約了水資源和時(shí)間。

隨著科學(xué)的進(jìn)步，蓮的更多特性會(huì)漸漸被人們發(fā)現(xiàn)，利用。