莲花效应

莲花效应。原图链接

莲花效应（英语：lotus effect）也称作荷叶效应，是指莲叶表面具有超疏水性以及自洁（self-cleaning）的特性。莲花喜欢生长在泥泞的湿地，但其叶子和花仍保持干净，这就是自洁的效果。植物学家研究莲叶表面发现它们有一个自然洁净的机制。在东方文化里，莲花是纯净的象征。

目录

概述

莲叶的微观结构和表面化学意味著不会被水浸润；水滴在叶片表面就如水银一般，并且可以带走污泥、小昆虫及污染物。而且，水滴在芋头叶子亦有相似的行为。莲花效应由于表面上的微观和奈米结构，水滴会吸收水滴中的污垢颗粒，从而最大程度地减少了水滴对表面的粘附。

疏水性

莲花效应具超疏水性现象，最早是由Dettre和Johnson在1964年使用粗糙的疏水性表面研究的结果。他们的工作建立了基于石蜡或PTFE 端粒涂层玻璃珠的实验理论模型。

疏水性的意思是不“喜欢”水，或者从另一观点看，水不“喜欢”它。因为这个特性，在疏水性的表面上，水分子倾向于聚在一起形成小水珠，这样水分子才能远离疏水性表面而靠近其他水分子。在莲叶面上的蜡质物料具疏水性，导致水珠的形成。这种不喜欢水的作用可以视为一种化学效应。

奈米结构

1977年，Wilhelm Barthlott和Ehler研究了超疏水微奈米结构表面的自清洁性能，首次将这种自清洁和超疏水性能称为“莲花效应”。荷叶有著比较强大的防水功效，同时还可以更好保持著自身的整洁。荷叶有著比较强大的功效，当雨水落在叶子上面，最终会形成水珠，只要叶面稍微倾斜一点，水珠就会滚落。

历史

莲花的自洁现象在亚洲早被周知，1986年人类开发了全氟烷基和全氟聚醚超疏水材料，用于处理化学和生物流体。自1990年代以来，出现了其他生物技术应用。但其机理仅在扫描电子显微镜引入后的1970年代初才得到了解释。用金银花和荷叶（莲）进行了研究。 “ The Lotus Effect”是STO SE＆CO。KGAA的注册商标（美国注册号2613850）。日后研究亦发现芋头叶上有蜂窝状的微结构，使叶片具有超疏水性与荷叶效应相似。

原理

水的高表张力

水的高表面张力使液滴呈近似球形，这是因为球形具有最小的表面积，因此该形状使固液表面能最小化。液体与表面接触时，粘附力会导致表面变湿。取决于表面的结构和液滴的流体张力，完全润湿或不完全润湿都可能发生。自清洁性能的原因是表面的疏水性疏水双重结构。这使得表面和液滴之间的接触面积和粘附力显著减小，从而导致自清洁过程。这种分层的双重结构由特征性表皮（其最外层称为表皮）和覆盖蜡形成。荷花植物的表皮具有高度为10μm至20μm，宽度为10μm至15μm的乳头，上面施加了所谓的表皮蜡。这些叠加的蜡是疏水的，并形成双重结构的第二层。该系统将重新生成。这种生化性质负责表面的疏水性功能。

球型液滴

表面的疏水性可以通过其接触角来测量。接触角越高，表面的疏水性越高。接触角＜90°的表面称为亲水性，接触角＞ 90°的表面称为疏水性。一些植物显示出高达160°的接触角，被称为超疏水性，这意味著液滴（通常大小）的表面中只有2-3％处于接触状态。具有双重结构表面的植物（例如荷花）可以达到170°的接触角，因此液滴的接触面积仅为0.6％。所有这些导致自清洁效果。

自洁作用

接触面积大大减少的污垢颗粒会被水滴吸收，因此很容易从表面清除。如果水滴在这种受污染的表面上滚动，则灰尘颗粒之间的粘附力（无论其化学性质如何）与水滴之间的粘附力都高于颗粒与表面之间的粘附力。当产生超疏水表面时，这种清洁效果已在不銹钢等普通材料上得到证明。由于这种自清洁效果是基于水的高表面张力，因此无法与有机溶剂一起使用。因此，表面的疏水性不能防止涂鸦。

这种作用对于植物来说是非常重要的，它可以防止病原体如真菌或藻类生长，也可以保护动物，如蝴蝶，蜻蜓和其他无法清洁其所有身体部位的昆虫。自清洁的另一个积极作用是防止污染暴露于光的植物表面区域，从而减少光合作用。

延伸

莲花效应的特性让荷叶时刻保持著干燥，即使刚刚下过大雨情况也不会法伤改变。另外叶面上面滚动的水珠会把灰尘等等一起带走，最终保持著干净和清洁，所以大家看到莲花的时候就会发现它一直都是比较干净和干燥的。莲花效应并不是一种没用的效应，对于生活是很有启发的。有科学家根据这种效应，成功设计发明出了奈米自清洁的衣料和建筑涂料，只要有一点点水就可以自动清洁衣服或者建筑的表面。

应用

当它被发现超疏水表面的自清洁性质来自物理-化学性质在微观到奈米级尺度，在人造表面上使用这种效果。一些奈米技术人员已经开发出了可以保持干燥和清洁的处理，涂料，油漆，屋顶瓦片，织物和其他表面，它们可以通过以技术方式复制植物（例如荷花植物）的自清洁特性来保持。通常可以在结构化表面上使用特殊的含氟化合物或矽酮处理，或使用包含微米级颗粒的组合物来实现。除了可以随时间去除的化学表面处理之外，还使用飞秒脉冲激光雕刻了金属以产生荷花效果。 该材料在任何角度均呈均匀黑色，结合自清洁特性可能会产生维护成本极低的太阳能集热器，而金属的高耐久性可用于自清洁厕所以减少疾病传播。

其他

日用品

市场上有其他应用，例如，由合作伙伴（Ferro GmbH）开发的自动清洁眼镜安装在德国高速公路交通控制单元的传感器中。瑞士公司HeiQ和舍勒纺织已经在品牌“开发的抗污纺织品HeiQ经济干燥”和“奈米球“分别。2005年10月，霍恩斯坦研究院的测试表明，用NanoSphere技术处理的衣服即使经过几次洗涤也可以很容易地洗掉番茄酱，咖啡和红酒。因此，另一种可能的应用是使用自清洁遮阳篷，篷布和帆布。

微波天线涂层

应用于微波天线的超疏水涂层可以显著减少雨水的褪色和冰雪的堆积。广告中的“易于清洁”产品经常被误认为是疏水或超疏水表面的自清洁特性。超疏水性或疏水性已用于露水收获或将水漏斗到水池中用于灌溉。该Groasis Waterboxx具有基于超疏水性能与微观金字塔结构的盖子是漏斗冷凝和雨水进入，以释放到生长植物的根盆地。