Эффект лотоса - Lotus effect

Вода на поверхности листа лотоса.
Капли воды на листе таро с эффектом лотоса (вверху) и увеличенная поверхность листа таро ( диапазон 0–1 - один миллиметр ), показывающие несколько небольших выступов (внизу).
Компьютерная графика поверхности листьев лотоса.
Капля воды на поверхности лотоса с углами смачивания примерно 147 °.

Эффект лотоса относится к самоочищающимся свойствам, которые являются результатом ультрагидрофобности, проявляемой листьями Нелумбо , цветка лотоса. Частицы грязи улавливаются каплями воды из-за микро- и наноскопической архитектуры на поверхности, которая сводит к минимуму адгезию капли к этой поверхности. Ультрагидрофобность и самоочищающиеся свойства также обнаруживаются у других растений, таких как Tropaeolum (настурция), Opuntia (опунция), Alchemilla , тростник, а также на крыльях некоторых насекомых.

Явление ультрагидрофобности было впервые изучено Деттре и Джонсоном в 1964 году с использованием грубых гидрофобных поверхностей. В их работе была разработана теоретическая модель, основанная на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или теломером ПТФЭ . Самоочистки свойство ultrahydrophobic микро- наноструктурированных поверхностей изучали Вильгельм Бартлотт и Ehler в 1977 году, который описал такую самоочистку и ultrahydrophobic свойства в первый раз , как «эффект лотоса»; Ультрагидрофобные перфторалкильные и перфторполиэфирные материалы были разработаны Брауном в 1986 году для работы с химическими и биологическими жидкостями. Другие биотехнические приложения появились с 1990-х годов.

Принцип действия

Высокое поверхностное натяжение воды приводит к тому, что капли принимают форму, близкую к сферической, поскольку сфера имеет минимальную площадь поверхности, и эта форма минимизирует поверхностную энергию твердого тела и жидкости. При контакте жидкости с поверхностью силы адгезии приводят к смачиванию поверхности. Может произойти полное или неполное смачивание в зависимости от структуры поверхности и натяжения жидкости капли. Причина самоочищающихся свойств - двойная гидрофобная водоотталкивающая структура поверхности. Это позволяет значительно уменьшить площадь контакта и силу сцепления между поверхностью и каплей, что приводит к процессу самоочистки. Эта иерархическая двойная структура сформирована из характерного эпидермиса (его внешний слой, называемый кутикулой) и покрывающих восков. Эпидермис лотоса имеет сосочки от 10 до 20 мкм в высоту и от 10 до 15 мкм в ширину, на которые накладываются так называемые эпикутикулярные воски. Эти наложенные друг на друга воски гидрофобны и образуют второй слой двойной структуры. Эта система восстанавливается. Это биохимическое свойство отвечает за функционирование водоотталкивающих свойств поверхности.

Гидрофобность поверхности можно измерить по ее краю смачивания . Чем больше краевой угол, тем выше гидрофобность поверхности. Поверхности с углом контакта <90 ° называются гидрофильными, а поверхности с углом> 90 ° - гидрофобными. Некоторые растения имеют угол смачивания до 160 ° и называются ультрагидрофобными, что означает, что только 2–3% поверхности капли (типичного размера) находится в контакте. Растения с двойной структурой поверхности, такие как лотос, могут достигать угла контакта 170 °, при этом площадь контакта капли составляет всего 0,6%. Все это приводит к эффекту самоочистки.

Частицы грязи с чрезвычайно уменьшенной площадью контакта улавливаются каплями воды и, таким образом, легко удаляются с поверхности. Если капля воды катится по такой загрязненной поверхности, адгезия между частицей грязи, независимо от ее химического состава, и каплей выше, чем между частицей и поверхностью. Этот очищающий эффект был продемонстрирован на обычных материалах, таких как нержавеющая сталь, когда образуется супергидрофобная поверхность. Поскольку этот эффект самоочищения основан на высоком поверхностном натяжении воды, он не работает с органическими растворителями. Следовательно, гидрофобность поверхности не защищает от граффити.

Этот эффект имеет большое значение для растений как защита от болезнетворных микроорганизмов, таких как грибки или рост водорослей , а также для животных, таких как бабочки , стрекозы и другие насекомые, которые не могут очистить все части своего тела. Еще одним положительным эффектом самоочистки является предотвращение загрязнения участка поверхности растения, подверженного воздействию света, что приводит к снижению фотосинтеза.

Техническое приложение

Когда было обнаружено, что самоочищающиеся свойства ультрагидрофобных поверхностей обусловлены физико-химическими свойствами в микроскопическом и наноскопическом масштабе, а не конкретными химическими свойствами поверхности листа, появилась возможность использовать этот эффект на искусственных поверхностях путем имитации природа в общем, а не в конкретном смысле.

Некоторые нанотехнологи разработали средства для обработки, покрытия, краски, черепицу, ткани и другие поверхности, которые могут оставаться сухими и очищать сами себя, воспроизводя в технической манере самоочищающиеся свойства растений, таких как лотос. Обычно этого можно достичь с помощью специальной фторохимической или силиконовой обработки структурированных поверхностей или с помощью композиций, содержащих микрочастицы.

В дополнение к химической обработке поверхности, которую можно удалить со временем, металлы были обработаны с помощью фемтосекундных импульсных лазеров для создания эффекта лотоса. Материалы имеют однородный черный цвет под любым углом, что в сочетании с самоочищающимися свойствами может привести к созданию коллекторов солнечной тепловой энергии с очень низким уровнем обслуживания, в то время как высокая прочность металлов может использоваться для самоочищающихся уборных, чтобы уменьшить передачу болезней.

Предлагаются и другие приложения, такие как самоочищающиеся стекла, установленные в датчиках блоков управления движением на немецких автобанах, разработанные партнером по сотрудничеству (Ferro GmbH). Швейцарские компании HeiQ и Schoeller Textil разработали устойчивый к пятнам текстиль под торговыми марками « HeiQ Eco Dry » и « nanosphere » соответственно. В октябре 2005 года испытания Исследовательского института Хоэнштейна показали, что одежда, обработанная технологией NanoSphere, позволяет легко смыть томатный соус, кофе и красное вино даже после нескольких стирок. Другое возможное применение - это самоочищающиеся навесы, брезент и паруса, которые в противном случае быстро загрязняются и их трудно чистить.

Супергидрофобные покрытия, нанесенные на микроволновые антенны, могут значительно уменьшить выцветание из-за дождя и нарастание льда и снега. В рекламе продукты, которые легко чистятся, часто ошибочно принимают за самоочищающиеся свойства гидрофобных или ультрагидрофобных поверхностей. Ультрагидрофобные поверхности с рисунком также перспективны для микрожидкостных устройств «лаборатория на кристалле» и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ.

Супергидрофобные или гидрофобные свойства использовались при сборе росы или переливании воды в бассейн для использования при орошении. Groasis Waterboxx имеет крышку с микроскопической пирамидальной структуры на основе свойств , которые ultrahydrophobic воронки конденсации и дождевой воды в бассейне для выпуска в корни растущего растения.

История исследований

Хотя явление самоочищения лотоса, возможно, было известно в Азии задолго до этого (упоминание об эффекте лотоса можно найти в Бхагавад Гите ), его механизм был объяснен только в начале 1970-х годов после появления сканирующего электронного микроскопа . Исследования проводились с листьями Tropaeolum и лотоса ( Nelumbo ). «Эффект лотоса» является зарегистрированным товарным знаком STO SE & CO. KGAA (регистрационный номер в США 2613850). Подобно эффекту лотоса, недавнее исследование выявило микроструктуры в виде сот на листе таро, которые делают лист супергидрофобным. Измеренный угол контакта на этом листе в этом исследовании составляет около 148 градусов.


Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки