蓮花效應

蓮花效應。原圖鏈接

蓮花效應（英語：lotus effect）也稱作荷葉效應，是指蓮葉表面具有超疏水性以及自潔（self-cleaning）的特性。蓮花喜歡生長在泥濘的溼地，但其葉子和花仍保持乾淨，這就是自潔的效果。植物學家研究蓮葉表面發現它們有一個自然潔淨的機制。在東方文化裡，蓮花是純淨的象徵。

目录

概述

蓮葉的微觀結構和表面化學意味著不會被水浸潤；水滴在葉片表面就如水銀一般，並且可以帶走污泥、小昆蟲及污染物。而且，水滴在芋頭葉子亦有相似的行為。蓮花效應由於表面上的微觀和奈米結構，水滴會吸收水滴中的污垢顆粒，從而最大程度地減少了水滴對表面的粘附。

疏水性

蓮花效應具超疏水性現象，最早是由Dettre和Johnson在1964年使用粗糙的疏水性表面研究的結果。他們的工作建立了基於石蠟或PTFE 端粒塗層玻璃珠的實驗理論模型。

疏水性的意思是不「喜歡」水，或者從另一觀點看，水不「喜歡」它。因為這個特性，在疏水性的表面上，水分子傾向於聚在一起形成小水珠，這樣水分子才能遠離疏水性表面而靠近其他水分子。在蓮葉面上的蠟質物料具疏水性，導致水珠的形成。這種不喜歡水的作用可以視為一種化學效應。

奈米結構

1977年，Wilhelm Barthlott和Ehler研究了超疏水微奈米結構表面的自清潔性能，首次將這種自清潔和超疏水性能稱為“蓮花效應”。荷葉有著比較強大的防水功效，同時還可以更好保持著自身的整潔。荷葉有著比較強大的功效，當雨水落在葉子上面，最終會形成水珠，只要葉面稍微傾斜一點，水珠就會滾落。

歷史

蓮花的自潔現象在亞洲早被週知，1986年人類開發了全氟烷基和全氟聚醚超疏水材料，用於處理化學和生物流體。自1990年代以來，出現了其他生物技術應用。但其機理僅在掃描電子顯微鏡引入後的1970年代初才得到了解釋。用金銀花和荷葉（蓮）進行了研究。 “ The Lotus Effect”是STO SE＆CO。KGAA的註冊商標（美國註冊號2613850）。日後研究亦發現芋頭葉上有蜂窩狀的微結構，使葉片具有超疏水性與荷葉效應相似。

原理

水的高表張力

水的高表面張力使液滴呈近似球形，這是因為球形具有最小的表面積，因此該形狀使固液表面能最小化。液體與表面接觸時，粘附力會導致表面變濕。取決於表面的結構和液滴的流體張力，完全潤濕或不完全潤濕都可能發生。自清潔性能的原因是表面的疏水性疏水雙重結構。這使得表面和液滴之間的接觸面積和粘附力顯著減小，從而導致自清潔過程。這種分層的雙重結構由特徵性表皮（其最外層稱為表皮）和覆蓋蠟形成。荷花植物的表皮具有高度為10μm至20μm，寬度為10μm至15μm的乳頭，上面施加了所謂的表皮蠟。這些疊加的蠟是疏水的，並形成雙重結構的第二層。該系統將重新生成。這種生化性質負責表面的疏水性功能。

球型液滴

表面的疏水性可以通過其接觸角來測量。接觸角越高，表面的疏水性越高。接觸角＜90°的表面稱為親水性，接觸角＞ 90°的表面稱為疏水性。一些植物顯示出高達160°的接觸角，被稱為超疏水性，這意味著液滴（通常大小）的表面中只有2-3％處於接觸狀態。具有雙重結構表面的植物（例如荷花）可以達到170°的接觸角，因此液滴的接觸面積僅為0.6％。所有這些導致自清潔效果。

自潔作用

接觸面積大大減少的污垢顆粒會被水滴吸收，因此很容易從表面清除。如果水滴在這種受污染的表面上滾動，則灰塵顆粒之間的粘附力（無論其化學性質如何）與水滴之間的粘附力都高於顆粒與表面之間的粘附力。當產生超疏水表面時，這種清潔效果已在不銹鋼等普通材料上得到證明。由於這種自清潔效果是基於水的高表面張力，因此無法與有機溶劑一起使用。因此，表面的疏水性不能防止塗鴉。

這種作用對於植物來說是非常重要的，它可以防止病原體如真菌或藻類生長，也可以保護動物，如蝴蝶，蜻蜓和其他無法清潔其所有身體部位的昆蟲。自清潔的另一個積極作用是防止污染暴露於光的植物表面區域，從而減少光合作用。

延伸

蓮花效應的特性讓荷葉時刻保持著乾燥，即使剛剛下過大雨情況也不會法傷改變。另外葉面上面滾動的水珠會把灰塵等等一起帶走，最終保持著乾淨和清潔，所以大家看到蓮花的時候就會發現它一直都是比較乾淨和乾燥的。蓮花效應並不是一種沒用的效應，對於生活是很有啟發的。有科學家根據這種效應，成功設計發明出了奈米自清潔的衣料和建築塗料，只要有一點點水就可以自動清潔衣服或者建築的表面。

應用

當它被發現超疏水表面的自清潔性質來自物理-化學性質在微觀到奈米級尺度，在人造表面上使用這種效果。一些奈米技術人員已經開發出了可以保持乾燥和清潔的處理，塗料，油漆，屋頂瓦片，織物和其他表面，它們可以通過以技術方式複製植物（例如荷花植物）的自清潔特性來保持。通常可以在結構化表面上使用特殊的含氟化合物或矽酮處理，或使用包含微米級顆粒的組合物來實現。除了可以隨時間去除的化學表面處理之外，還使用飛秒脈衝激光雕刻了金屬以產生荷花效果。 該材料在任何角度均呈均勻黑色，結合自清潔特性可能會產生維護成本極低的太陽能集熱器，而金屬的高耐久性可用於自清潔廁所以減少疾病傳播。

其他

日用品

市場上有其他應用，例如，由合作夥伴（Ferro GmbH）開發的自動清潔眼鏡安裝在德國高速公路交通控制單元的傳感器中。瑞士公司HeiQ和舍勒紡織已經在品牌“開發的抗污紡織品HeiQ經濟乾燥”和“奈米球“分別。2005年10月，霍恩斯坦研究院的測試表明，用NanoSphere技術處理的衣服即使經過幾次洗滌也可以很容易地洗掉番茄醬，咖啡和紅酒。因此，另一種可能的應用是使用自清潔遮陽篷，篷布和帆布。

微波天線塗層

應用於微波天線的超疏水塗層可以顯著減少雨水的褪色和冰雪的堆積。廣告中的“易於清潔”產品經常被誤認為是疏水或超疏水錶面的自清潔特性。超疏水性或疏水性已用於露水收穫或將水漏斗到水池中用於灌溉。該Groasis Waterboxx具有基於超疏水性能與微觀金字塔結構的蓋子是漏斗冷凝和雨水進入，以釋放到生長植物的根盆地。