荷花池里的奥秘

作者:孟丽来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-08-29

莲为什么可以出淤泥而不染呢?荷叶的这种特性是否与它的结构有关呢?把荷叶的结构应用于仿生科技中会怎样呢?

  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。

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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θ<90°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θ=0。当θ>90°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θ>150°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。

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