Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 Nelumbo или «цветком лотоса». [1] Частицы грязи захватываются 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. [2]

Явление ультрагидрофобности было впервые изучено Деттре и Джонсоном в 1964 году [3] с использованием шероховатых 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, [4] , 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. [5]Другие биотехнические приложения появились с 1990-х годов. [6] [7] [8] [9] [10] [11]

Принцип работы [ править ]

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. [12] Причиной самоочищающихся свойств является двойная гидрофобная водоотталкивающая структура поверхности. [13] Это позволяет значительно уменьшить площадь контакта и силу сцепления между поверхностью и каплей, что приводит к процессу самоочистки. [14] [15] [16]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, при получении супергидрофобной поверхности. [17] 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 [ править ]

Когда было обнаружено, что самоочищающиеся свойства ультрагидрофобных поверхностей обусловлены физико-химическими свойствами в микроскопическом и наноскопическом масштабе, а не конкретными химическими свойствами поверхности листа, [18] [19] [20] возникла возможность используя этот эффект на искусственных поверхностях, имитируя природу в целом, а не конкретную.

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. [21] Материалы имеют однородный черный цвет под любым углом, что в сочетании с самоочищающимися свойствами может привести к созданию коллекторов солнечной тепловой энергии с очень низкими эксплуатационными расходами, в то время как высокая прочность металлов может использоваться для самоочищающихся уборных, чтобы уменьшить передачу болезней. [22]

Предлагаются и другие приложения, такие как самоочищающиеся стекла, установленные в датчиках блоков управления движением на немецких автобанах, разработанные партнером по сотрудничеству (Ferro GmbH). [ необходима цитата ] 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. Другим возможным применением является самоочищение навесов. 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. [ требуется пояснение ] Узорчатые ультрагидрофобные поверхности также являются многообещающими для микрожидкостных устройств «лаборатория на кристалле» и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ. [23]

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. [24]

История исследований [ править ]

Хотя феномен самоочищения лотоса, возможно, был известен в Азии задолго до этого (ссылка на эффект лотоса содержится в Бхагавад-гите [25] ), его механизм был объяснен только в начале 1970-х годов после появления сканирующего электронного микроскопа. . [4] [16] Исследования проводились с листьями Tropaeolum и лотоса ( Nelumbo ). [6] «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.[26]


Анимация [ править ]

Воспроизвести медиа
Эффект лотоса самоочищающегося листа Nelumbo и первый биомиметический технический прототип (1994) по случаю присуждения премии Philip Morris Prize W. Barthlott и C. Neinhuis в Мюнхене 1999

См. Также [ править ]

  • Биомиметики

Ссылки [ править ]

  1. ^ Lafuma, A .; Кере, Д. (2003). «Супергидрофобные состояния». Материалы природы . 2 (7): 457–460. Bibcode : 2003NatMa ... 2..457L . DOI : 10.1038 / nmat924 . PMID  12819775 . S2CID  19652818 .
  2. ^ Дарманин, Тьерри; Гиттар, Фредерик (1 июня 2015 г.). «Супергидрофобные и суперолеофобные свойства в природе» . Материалы сегодня . 18 (5): 273–285. DOI : 10.1016 / j.mattod.2015.01.001 .
  3. ^ Рулон Э. Джонсон-младший; Роберт Х. Деттре (1964). «Гистерезис контактного угла. III. Исследование идеализированной неоднородной поверхности». J. Phys. Chem. 68 (7): 1744–1750. DOI : 10.1021 / j100789a012 .
  4. ^ a b Бартлотт, Вильгельм; Элер, Н. (1977). "Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten". Tropische und Subtropische Pflanzenwelt . 19 : 110.
  5. ^ Коричневый лабораторный сосуд с гидрофобным покрытием и процесс производства того же патента США 5,853,894 , выдан 29 декабря 1998 г.
  6. ^ a b Бартлотт, Вильгельм; К. Нейнхейс (1997). «Чистота священного лотоса или спасение от загрязнения биологических поверхностей». Planta . 202 : 1–8. DOI : 10.1007 / s004250050096 . S2CID 37872229 . 
  7. ^ Barthlott, У., почта, М., Бхушан, Б., и К. Коха. (2017). Поверхности растений: структуры и функции для биомиметических инноваций. Nano-Micro Letters , 9 (23), DOI: 10.1007 / s40820-016-0125-1 .
  8. ^ Cheng, YT; Родак, Д.Е. (2005). «Является ли лист лотоса супергидрофобным?». Прил. Phys. Lett. 86 (14): 144101. Bibcode : 2005ApPhL..86n4101C . DOI : 10.1063 / 1.1895487 .
  9. ^ Нархе, РД; Бейсенс, Д.А. (2006). «Конденсация воды на супергидрофобной поверхности шипа». Europhys. Lett. 75 (1): 98–104. Bibcode : 2006EL ..... 75 ... 98N . DOI : 10,1209 / EPL / i2006-10069-9 .
  10. ^ Лай, SCS «Подражание природе: физическая основа и искусственный синтез эффекта лотоса» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 30 сентября 2007 года.
  11. ^ Koch, K .; Bhushan, B .; Бартлотт, В. (2008). «Разнообразие структуры, морфологии и смачивания поверхности растений. Мягкое вещество». Мягкая материя . 4 (10): 1943. Bibcode : 2008SMat .... 4.1943K . DOI : 10.1039 / b804854a .
  12. ^ фон Байер; HC (2000). «Эффект лотоса». Науки . 40 : 12–15. DOI : 10.1002 / j.2326-1951.2000.tb03461.x .
  13. ^ Neinhuis, C .; Бартлотт, В. (1997). «Характеристика и распределение водоотталкивающих, самоочищающихся поверхностей растений» . Летопись ботаники . 79 (6): 667–677. DOI : 10,1006 / anbo.1997.0400 .
  14. ^ Бартлотт, Вильгельм; Neinhuis, C. (2001). «Эффект лотоса: модель природы для самоочищающихся поверхностей». Международный текстильный бюллетень . 1 : 8–12.
  15. Перейти ↑ Forbes, P. (2005). Стопа геккона, биовдохновение - разработка новых материалов и устройств от природы . Лондон: Четвертое сословие. п. 272. ISBN. 978-0-00-717990-9.
  16. ^ a b Форбс, П. (2008). «Самоочищающиеся материалы». Scientific American . 299 (2): 67–75. Bibcode : 2008SciAm.299b..88F . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0808-88 . PMID 18666684 . 
  17. ^ Серлес, Питер; Никумб, Сувас; Бордачев, Евгений (15.06.2018). «Супергидрофобные и супергидрофильные функционализированные поверхности с помощью пикосекундного лазерного текстурирования». Журнал лазерных приложений . 30 (3): 032505. Bibcode : 2018JLasA..30c2505S . DOI : 10.2351 / 1.5040641 . ISSN 1042-346X . 
  18. ^ Solga, A .; Cerman, Z .; Striffler, BF; Spaeth, M .; Бартлотт, В. (2007). «Мечта о чистоте: лотос и биомиметические поверхности». Биоинспирация и биомиметика . 2 (4): S126 – S134. Bibcode : 2007BiBi .... 2..126S . CiteSeerX 10.1.1.477.693 . DOI : 10.1088 / 1748-3182 / 2/4 / S02 . PMID 18037722 .  
  19. Перейти ↑ Mueller, T. (апрель 2008 г.). «Биомиметика, дизайн от природы». Журнал National Geographic : 68.
  20. ^ Guo, Z .; Чжоу, Ф .; Hao, J .; Лю, В. (2005). «Стабильные биомиметические супергидрофобные инженерные материалы». Варенье. Chem. Soc. 127 (45): 15670–15671. DOI : 10.1021 / ja0547836 . PMID 16277486 .  
  21. ↑ Воробьев, А.Ю .; Го, Чуньлей (2015). «Многофункциональные поверхности, создаваемые фемтосекундными лазерными импульсами» . Журнал прикладной физики . 117 (3): 033103. Bibcode : 2015JAP ... 117c3103V . DOI : 10.1063 / 1.4905616 .
  22. ^ Borghino, Dario (21 января 2015). «Лазеры помогают создавать водоотталкивающие, светопоглощающие, самоочищающиеся металлы» . gizmag.com .
  23. ^ Ressine, A .; Марко-Варга, Г .; Лорелл, Т. (2007). Технология микроматриц пористого кремниевого белка и ультра- / супергидрофобные состояния для улучшенного биоаналитического считывания . Годовой обзор биотехнологии. 13 . С. 149–200. DOI : 10.1016 / S1387-2656 (07) 13007-6 . ISBN 978-0-444-53032-5. PMID  17875477 .
  24. ^ «Различные формы конденсации - Технология» .
  25. ↑ Бхагавад Гита, 5.10, Архивировано 10 сентября 2012 г., Wayback Machine
  26. ^ Кумар, Маниш; Бхардвадж (2020). «Характеристики смачивания листа Colocasia esculenta (Taro) и его биоинспирированной поверхности» . Научные отчеты . 10 (1): 935. Bibcode : 2020NatSR..10..935K . DOI : 10.1038 / s41598-020-57410-2 . PMC 6976613 . PMID 31969578 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с анимацией эффекта лотоса на Викискладе?
  • Видео, показывающее сравнение листьев растений с эффектом лотоса и без него, на YouTube
  • Эффект лотоса Project Group - Институт биоразнообразия растений им. Фридриха-Вильгельма Боннского университета
  • Статья в Scientific American : «Самоочищающиеся материалы: нанотехнологии, вдохновленные листьями лотоса»