赏荷时节,这些秘密你得懂

作者:孟丽来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-07-10

终于又可以给小伙伴卖弄一下了。

盛夏时节正是荷花开得最美的时候。在红花绿叶的点缀下,夏日仿佛多了一丝凉意。每当提到荷花,总能想起周敦颐在《爱莲说》中写到的“予独爱莲之出淤泥而不染,濯清涟而不妖”。自古以来,“莲”总是被文人墨客赞誉的对象,是“高洁”的象征。可是,莲为什么可以出淤泥而不染呢?这就要讲到莲花的“自清洁”和“不沾湿”特性了。

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荷叶效应

  如果留心观察莲花的叶子,你就会发现荷叶上总是干干净净的,好似不留一点灰尘。这是因为荷叶表面的特殊结构有自我清洁的功能,即荷叶的“自清洁”特性。此外,我们经常会看到这样的场景:当水滴在荷叶上时,水并没有完全铺展开,而是以水珠的形式停留在荷叶上,而且只要叶面稍微倾斜,水珠就会滚离叶面。这就是荷叶的“不沾湿”特性。荷叶的“自清洁”和“不沾湿”特性被统称为“荷叶效应”。这一概念最早是由德国波恩大学的植物学家巴特洛特提出的。

荷叶效应

荷叶

  其实,荷叶的“不沾湿”特性也被称为“超疏水”特性。那么,如何界定“超疏水”这一概念呢?在明确“超疏水”这一概念前,我们要先了解表面化学中的一个概念——接触角。如下图所示,接触角指的是“液-固”界面的水平线与“气-液”界面切线之间通过液体内部的夹角θ。有了这一概念,我们可以很方便地表示液体对固体的润湿情况。

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  习惯上,当&theta;<90&deg;时,我们称该液体可以润湿固体,此时,液体完全展开,覆盖固体表面。水可以润湿玻璃,在洁净的玻璃表面甚至可以完全润湿,此时&theta;=0。当&theta;>90&deg;时,该液体不能润湿固体,此时,液体在固体表面缩成球形。水不能润湿石蜡,因此表现出“圆球状”。当与水的接触角&theta;>150&deg;时,该固体表面具有“超疏水”特性。通俗地讲,我们可以认为这种固体表面有很强的排斥水的能力。除荷叶表面外,芋头叶、芭蕉叶、海豚和鲨鱼的表面也都呈现出“超疏水”特性。

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芭蕉叶

荷叶的微观结构

  大量的科学研究表明,结构往往决定性质。那么,你肯定会问:“荷叶的特性是否与它的结构有关呢?”答案是肯定的。电子显微镜的发展给我们的科学研究带来了更多的可能,也使得我们能够观察到荷叶的微观结构。通过电子显微镜的成像结果,我们可以清晰地看到荷叶表面有许多突起的“小山包”(这类结构被称为“乳突”)。这些乳突的尺寸通常在10微米左右,这些乳突的平均间距在12微米左右。而这些乳突是由许多直径在100纳米左右的纳米蜡质晶体组成。由此可见,荷叶表面存在复杂的“微米-纳米”双重结构,正是这些结构使得荷叶产生了“超疏水”和“自清洁”的双重特性。

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  荷叶表面的蜡质是产生疏水性的根本原因,因为蜡质晶体本身的化学结构具有疏水性,所以当水与这类表面接触时,会形成“球状”水滴,于是,荷叶表面便有了“超疏水”特性。荷叶表面所形成的乳突非常多,而且间隔很小,于是在乳突间会存在许多凹陷部分。这些凹陷部分充满空气,这样就在贴紧叶面的地方形成了一层非常薄的纳米级空气层。而那些落在叶面上的灰尘、水滴的尺寸远远大于这个空气层。所以当这些物质落在叶面上时,它们只能同叶面上“小山包”的顶端形成几个点的接触,而不能润湿到荷叶表面上。水滴在自身表面张力的作用下形成“球状”,并且在滚动中吸附灰尘等杂质,最终滚出叶面,这就是荷叶具有“自清洁”特性的原因。

由荷叶到仿生科技

  自然界的生物都经历了漫长的演化过程,在物竞天择下,生物自身的结构和功能都经过了长期的筛选、发展和优化,具有极高的效能。聪明的人类当然不会放过向大自然“学习”的机会,“仿生科技”应运而生。仿生学是研究和模仿自然界中生物体的结构、功能和生活方式的一门系统科学。它将生物的结构、功能和行为应用于现代工程系统和技术设计中,解决人类所遇到的科学技术问题。仿生不是对自然模型的简单复制,而是对大自然中生物的理解、升华和具有创新价值的“重塑”。

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  那么,把荷叶的结构应用于仿生科技中会怎样呢?设想一下,如果我们可以拥有一件具有荷叶效应的衣服,那么懒人的福利是不是就有了呢?(妈妈再也不用担心我把衣服弄脏了)再者,如果在汽车表面涂覆上一层类似荷叶的涂层,那么洗车店老板是不是从此要无限期歇业了?这些想法看似无厘头,但是已经得到了技术支持。据英国《每日邮报》报道,澳大利亚墨尔本服装技术品牌公司Threadsmiths发明了一种名为The Cavalier的特殊T恤。


  与传统T恤相同,它们都是百分之百棉质的,其特殊之处在于能够有效防止大部分液体和污渍的侵入。往这些衣服上泼水,它们仍然会保持干爽。往上面泼可乐或者其他饮料,带有颜色的液体会形成珠子从上面滚落下来。即便用高压水枪喷射它们,衣服依然保持干爽。不了解荷叶效应的人或许觉得这是在变魔术,而看过前文后就能知道其中的奥秘。Threadsmiths官方网站上也发表声明说“他们的灵感来自荷叶”。

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  日前,美国Ultra-Ever Dry携手日本尼桑率先把自清洁技术应用到了汽车上。Ultra-Ever Dry是一种纳米级物料,拥有超强的疏水性能和自清洁性能,而且可以作为功能性涂层,覆盖在我们所要求的材料上。日本尼桑公司将这种材料涂覆在汽车表面,成功打造出了第一款具有自清洁功能的汽车。为了对比自清洁效果,尼桑在旗下一款MVP车型Note上作了一个简单的测试:一半车身喷洒了Ultra-Ever Dry材料,另一半保持原样,然后在泥泞的道路上进行测试。在测试中可以看到,泥污落在涂覆有纳米材料的车身上后会变成一颗颗泥水珠,径直滑下。

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  最终结果显示,未改动的车身布满泥污,涂覆有纳米材料的车身仍然洁净如初。Ultra-Ever Dry材料之所以具有超强的疏水性能和自清洁性能,是因为它模拟了荷叶表面结构。这种材料涂覆在汽车表面后可建立一个细微的空气层,这与荷叶表面乳突间凹陷的空气层类似,使得泥污无法接触其表面。简言之,这个空气层就是一个疏水性纳米级绒毛层,这与荷叶上的蜡质乳突作用相同,使得水珠等杂质无法与物体表面接触。由于自身表面张力的作用,落在上面的水滴呈现“球状”,并且在滚动过程中吸附杂质,最终脱离表面,实现了自清洁功能。

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车窗左边未使用疏水镀膜,右边使用疏水镀膜

  关于荷叶效应的应用还有很多,前文提到的仿生科技只是冰山一角,笔者只是选取了一些与生活相关且最近发布的应用与大家分享。此外,荷叶效应在化工行业、建筑涂料、厨房用具等领域的应用还有很多。有理由相信,随着科技的进步,荷叶效应的应用范围还会更广。

 

扩展阅读:自清洁材料何时能推广应用?


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