|
荷花效應概述 Overview of the lotus effect |
荷花何以出淤泥而不染？是因為它的表面十分光滑，污垢難以停留？不是。科學家用掃描電子顯微鏡觀察，發現荷花的花瓣表面像毛玻璃一樣毛糙，淨是20微米大小的“疙瘩”。這一被稱為“荷花效應”的發現給人意外的啓示。它啓發人們去研製塗料和油漆，使墻面像荷花一樣不受污染，永葆鮮豔色彩。
荷花效應也叫作自清潔效應，可以應用到很多地方。最主要的就是一個是應用在織物上面，比如說防水，防油的領帶，還有鄂爾多斯防水防油的羊絨衫。還有一個就是自清潔的玻璃。如果我們將這種原理，運用到汽車的烤漆、建築物的外墻、或是玻璃上，不但隨時可以保持物體表面的清潔，也減少了洗滌劑對環境的污染，可以說既安全又省力。 |
荷花效應原理 Lotus effect theory |
上個世紀七十年代，德國植物學分類的科學家——威廉·巴特洛特，他和同事在試驗中，偶然發現了一個有反常規的現象。
按慣例，實驗用的植物都要被清洗幹淨的，可是他們註意到：通常衹有那些表面光滑的葉子纔需要清洗，而看起來粗糙的葉子，往往很幹淨。尤其是荷葉，它的表面不但不帶灰塵，而且連水都不粘。
荷花的生長少不了淤泥的，因為它提供了非常豐富的腐殖質，供荷花的生長所需。可是破水而出的荷葉上，不但淤泥、灰塵不粘，就連水滴也很難在上面安安穩穩地呆上一會兒，仿佛自己就能把葉片打掃得幹幹淨淨的。
自古就有這麽一說，就是因為當水珠落在荷葉上的時候，它由於表面那個，就是表面張力的作用，那麽水珠會變成，就是球狀，或者是近似球狀的，然後呢，它會滾離荷葉表面，然後就是帶走荷葉上面的一些污濁的物質。
其實這出淤泥而不染，主要說的就是荷葉。
那麽為什麽它會有自清潔的特性呢？最開始人們認為是荷葉上那層白色的蠟質結晶决定的。
它表面就是有一層蠟質的物質，咱們用眼睛就可以直接看到，而用手也能感受到。您可以用手摸一下，它有一種粗糙的感覺。
荷葉表皮細胞分泌的蠟質結晶，在電子顯微鏡下，呈現出綫狀或是毛發狀的結構，並且在葉片的正面和背面都有分佈。但是水在葉片背面無法形成球狀自如的滾動，反而還會滯留在中心。
那麽再跟其它植物的葉片做個比較。遠了不提，就拿跟荷花同一科的睡蓮來說，它的葉子正面也有蠟，可是水滴上去，很快就鋪平、蔓延開了，更達不到水珠在荷葉上大珠小珠落玉盤的效果。所以除了蠟質結晶之外，一定還另有門道。
如果用電子顯微鏡觀察的話，就會發現它（葉）表面有一些這種微小的這種突起，這種微小的突起是這種微米級的微小的突起，然後這種微小的微米級的突起上面，又形成一種納米級的突起。
我們觸摸荷葉時粗糙的感覺，實際上就是由這些微小的突起産生的，它們平均大小約為10微米。而那些更小的突起，直徑衹有200個納米左右。
要知道微米衹有毫米的千分之一，而納米更是小到一定程度了，它衹有微米的千分之一。到底有多大？我給您打個比方，假設一根頭髮的直徑是0.05毫米的話，嚓、嚓、嚓、嚓，把它縱嚮剖成5萬根，那每根的厚度大約就是1個納米，夠小的吧。
沒想到吧，在荷葉粗糙的表面上，竟然有着這麽精細的微米加納米的雙重結構。
第一個結構就是它的那個微米級的乳凸，大概可能是10微米，到12微米，這麽一個大小，然後深度可能是12到15微米之間，這種乳凸，然後乳凸上面有一個那個，就是表皮分泌的蠟質結晶，那個在電子顯微鏡的觀察下，可以看出來它是那種毛發或者是綫狀的結構。
也就是說，在那些“微米尺度”的小山上又疊加了許多“納米”小山。這樣一來荷葉的表面，就布滿了“山頭”，“山”與“山”之間的空隙非常窄，再小的水滴也衹能在 “山頭”上跑來跑去。而水滴在滾動的時候，也就帶走了葉子上的塵土和細菌。
那麽是不是有了這樣的結構，就能保證荷葉不沾水了呢？
科學家很快又發現，如果我們把荷葉放到水裏浸泡一段時間，荷葉表面會從疏水變得親水，這又是為什麽呢？
德國有一個科學家做過這個實驗，把荷葉放到水裏10米以下再拿出來的時候，再測它就變成親水了，因為它就是誘捕在乳凸和納米結晶之間那個空氣被排除了，是那個水分子一點一點的進去，進到那個空氣的膜裏，把空氣排出以後，它這個就變成了親水了。
原來，那些個頭遠遠超過 “小山”的水珠和塵埃，之所以能在“山頭”上跑來跑去，不單是因為山之間的縫隙太小，最關鍵的是因為山和山之間都被空氣填地嚴嚴實實，形成了一個類似氣墊的東西，把水滴給隔開了。如果氣墊沒有了荷葉也會變得親水。
浸在水中的荷葉，由於壓力的作用，把這層空氣從小山中間擠了出去，因此就出現了科學家所看到的現象。
自從發現了荷葉不粘水的自清潔特點之後，人們就把這種現象稱為荷花效應。但其實，在自然界有很多生物都表現出類似的特點。
水稻的葉子也是不粘水的，與荷葉的不同在於，荷葉上的水滴，可以在平面內嚮各個方向運動。而水稻葉片上的水滴通常是沿着葉脈的方向滾落，垂直葉脈的時候，相對就有些睏難。但是這都與它們各自葉片的形狀相適應。
不光是植物，動物也有。比如說，水黽它在水上行走時就是，水黽腿在水上直立行走，其實也是因為水黽腿它是一個超疏水的，所以因為它表面張力的作用會把水排開，然後支撐它的身體，然後讓它跳躍，蚊子也是。
儘管如此，人們始終認為荷葉的表面結構，所體現的自清潔特性最為完美，一直希望能模仿它，從而製造出各種各樣的疏水材料。
這事兒看起來很簡單，做起來難。您想，那麽精細的形態，都是我們通過電子顯微鏡纔看清楚的，想憑這樣兩衹手去復製類似結構，幾乎不可能，因此，這裏頭有着非常高的技術含量。不過在科學家的幫助下，我們的夢想正在慢慢照進現實。 |
荷花效應前景 Prospect of lotus effect |
威廉·巴特洛特是德國波國大學植物研究所的所長，他領導進行的一項研究表明，蓮花的潔淨中隱藏着一個秘密：當雨停了的時候，某些植物顯得很濕潤，而另一些植物則立刻就幹了，而且顯得很幹淨。由此發明了一項新技術，生産出表面完全防水並且具備自潔功能的材料。這是一項用途廣泛的新技術，它使人們不再為建築物及表面的清潔問題發愁，也不必再為汽車、飛機和各種運輸工具的清潔問題大傷腦筋。它不僅省去了周末例行的擦洗汽車的工作，使人們大大節省了體力，同時因為減少了使用有毒清潔劑，用於環保方面的支出也相應減少。
通過電子顯微鏡對1萬多種植物的表面結構進行了研究，最終揭示表面光滑的葉子都需要經過清洗才能置於顯微鏡下觀察，而表面覆蓋着一層極薄蠟晶體的葉子（這正是防水葉面的特點）卻幹幹淨淨。
事實上，在擁有“蠟盾”的葉面上，污物的粒子衹是勉強立足，難以紮根，少量水就可以將其衝走。植物學家們組織了一場各類植物的抗污比賽：將防水性最佳的植物（從340種植物中選出）置於含有大量石英粉塵、二氧化硫和復印機墨粉的污染物中，然後，再將這些植物置於雨水 中，或用人工噴霧，以檢驗在直徑為0.5毫米的水滴中其自潔機能的效果。在高倍電子顯微鏡的幫助下，研究人員進行了一係列試驗後，取得了綜合數據。他們特別測量了水滴和葉面之間的接觸的角度：該角度越大，清潔所需的水量就越少。蓮花葉面與水滴的接觸角度平均為160度，最接近180度的極限值。
結論是微小的蠟晶體使植物葉面變得粗糙，這是植物具有抗污機理的關鍵所在。
1999年3月，第一種産品問世。在不久的將來，太陽能板、道路交通標識牌、花園中的座椅和苫布等覆蓋材料都衹需用少量的水就可衝洗幹淨。這還僅僅是一個開始，幾年之後，“蓮花效應”可能直接應用於任何露天建築物或交通工具的油漆、塗料和表面材料上。 |
荷花效應應用 Lotus effect application |
 荷花效应应用 荷花效应应用
中國是在世界上第一個做出納米布的國傢，是中科院化學所做出來的；
丙綸織物，用顆粒大小為20納米左右的聚丙烯水分散液，浸軋，光照。使顆粒粘結在纖維表面上，形成凸凹不平的表面結構，成為雙疏材料，即疏水又疏油。用油或水往這種布上倒，都不會浸濕，也不會玷污。
其實，荷葉天然地就具有這樣的性質。水滴從來都浸不濕荷葉，就是因為荷葉上長着據說是700個納米尺度的一些絨毛，絨毛非常密，我們肉眼看很難分辨出來。但是用手摸能感覺到一種絨絨的東西。這個東西就讓荷葉失去了水對它的浸潤性。
具有這樣特點的這種布就帶有了自潔性。如果我們用這種材料做成衣服，就會防水。如果用這種材料處理玻璃，做成表面凸凹不平的結構，看起來沒有任何問題，但不會結霧，不會沾水。
②關於納米防水拒油領帶
為什麽荷葉具有如此良好的疏水性？國外科學家曾提出，荷葉的疏水性在於其微米結構，而中科院化學所的研究員萬立駿等人在研究中進一步發現，荷葉的疏水性源於其納米結構。他們將這一成果與浙江某企業合作，研製出“防水”領帶，並被江澤民主席作為禮物送給布什總統。
③氣浮防水材料的自性潔
作為超分子研究成果應用的一個重要例子，德國波恩大學barthlott教授從荷葉的自清潔效應得到啓發，研製成功了易於清潔建築物及交通工具表面的塗料。水珠從荷葉上滾落，可以清除其上吸附的灰塵顆粒，這便是荷葉的自“清潔效應”，barthlott教授最早認識到這一點並將其應用到生活中的清潔處理。荷葉效應作為一個很好的模型，可以用於諸多的領域的研究，如基於荷葉效應生産的塗料可方便房屋或建築物表面的清潔。荷葉效應可以大大降低人們對於清潔劑的使用，有益於環境保護。
④荷葉的表面組織形態；
德國波恩大學的barthlott博士多年從事荷葉效應的生物研究，取得了卓著的成績，曾於1998年榮獲德國總統未來奬提名。德國ispo公司與barthlott博士合作，將荷葉的微觀結構“剋隆”到ispo公司生産的有機硅塗料--露珠仙中，成功地將荷葉效應應用於塗料之中。在放大7000倍的顯微鏡下可以看到，荷葉使水和塵埃在其表面的接觸面積減少了90％多，水被排除得幾乎毫無殘留，並帶走了每一顆附在水中的塵埃顆粒。
⑤荷葉與疏水塗料的試驗
科學發明者想到的是荷葉為什麽有着超強的疏水性？如果應用在生活用品上，就像“荷葉面”雨傘，撐雨疏水，抖水即幹，不必擔心帶到室內會滴水了。土耳其科賈埃利大學的研究人員對荷葉的表面是不是非常光滑展開了研究。在顯微鏡下，研究人員看到荷葉是一種類似於海綿或是鳥巢的孔狀組織，空氣填充在列隙中，從而防止水吸附於葉面。研究人員測定了水在人的皮膚、水鳥羽毛上的接觸角，皮膚為90度，水鳥羽毛和荷葉與水珠的接觸角分別為150度和170度，後來，研究人員在溶劑中溶解聚丙烯，獲得了這種應用塑料的普通液體，再加入一種凝結劑製成塗料，把它塗在玻璃片上，在一個真空烤箱中使溶劑蒸發，得到一種多孔的凝膠層。當研究人員在凝膠層上滴下水珠後，發現它的疏水能力可以與荷葉媲美，並且與水珠的接觸角度達到了160度。
由此，研究人員認為，生産超強疏水性塗料時，再也無需昂貴的材料和耗時的過程了，更不需要加入什麽納米材料，因為“荷葉的疏水效應”給人提供了一個簡單的方法，可以用來解决製造超強疏水性塗料的技術難題，所以，生産超強疏水性塗料的成本也有望大大地降低了。
⑥用立構等規聚丙烯研製成新型防水塗料
據海外媒體報道，土耳其kocaeli大學的研究人員最近開發成功一種利用立構等規聚丙烯（ipp）生産超級憎水性防水塗料的簡單易行方法。這種方法是使用溶劑處理方法形成一種類似溶膠的ipp塗層，其表面結構像荷葉那樣具有防水性。據研究人員稱，該塗料可廣泛用於玻璃、金屬、紡織品及其他結構表面。
據報道，研究人員把ipp溶解於對二甲苯中，並加入環己酮、異丙醇或甲乙酮助溶劑（nonsolvent）製成溶膠，把溶膠塗刷至結構表面，溶劑揮發後即形成塗層。
⑦納米孔的氣浮功能
在荷葉的掃描電鏡的照片上，表面結構清晰可見，那些凹凸不平的納米結構正是科研人員尋找的答案。經過凹凸納米結構處理過的織物，開始表現疏水、疏油的特性。實際上在這種荷葉上的許許多多納米孔，在水滴或油滴乃至液體滴在這個介面的時候，會形成一層氣膜，使水或油都不能侵入這個表現，因此産生了一個奇妙的疏水疏油的效果。 |
荷花效應乳膠漆 Lotus effect paint |
房屋所有者和房屋建造者都希望外墻面保持乾燥清潔。但由於我國環境條件還不盡人意，外墻面往往會受到污染，有的甚至受到嚴重污染。因此，人們一直在探求能保持外墻面乾燥清潔的建築塗料。荷葉效應乳膠漆就是能保持外墻面乾燥清潔的一種建築塗料，它是仿生學在建築塗料中應用的一個例子。一.荷葉效應乳膠漆的開發很久很久以來，優化的自潔功能已在自然界存在，荷花葉子就是其中的代表。荷葉表面具有很好的憎水性，並實際上是不能濕潤的，它還出污泥而一塵不染。這是為了適應環境而長期演變的結果。德國玻恩大學植物學教授w.bartblott研究了荷花葉子的結構和荷葉效應機理。經研究發現，荷花葉子之所以具有以上性能，是因為葉子表面既憎水，又有一個顯微結構。德國sto上市公司下屬ispo公司，根據荷葉效應機理和硅樹脂外墻塗料的實際應用結果，經過三年研究工作，成功地把荷葉效應移植到外墻乳膠漆中，開發了微結構有機硅乳膠漆，即荷葉效應乳膠漆。這種荷葉效應乳膠漆采用具有持久憎水性的少乳化劑有機硅乳液等一些專門物質，並形成一個納米級顯微結構，從而使其塗膜具有類似荷花葉子的表面結構，達到拒水保潔功能。荷葉和荷葉效應乳膠漆的結構比較如圖1所示。可以看出，二者的結構非常相似。
荷葉效應機理
市場上的荷葉效應塗料或乳液，絶大多數是通過降低表面張力來實現的。這種通過降低表面張力，其提高與水的接觸角有限，約能提高至1200左右，如市場上的硅樹脂塗料與水的初始接觸角約為930-1150；它們與灰塵的接觸面積基本沒變，因此，荷葉效應的結果是有限的，很難達到既保持塗膜乾燥，又具有自潔功能。與水的接觸角至少要達到1300，這時表面具有顯著的憎水性，成珠滾落的雨水纔具有自潔功能。材料的性能是由其組成和結構决定的。把降低表面張力和形成顯微結構結合起來，才能取得很好的荷葉效應結果。根據表面物理化學中表面平整度對接觸角的影響規律可知，當接觸角小於900時，表面粗糙度大些能使接觸角進一步減小；而當接觸角大於900時，粗糙表面能使接觸角進一步提高。荷葉效應乳膠漆塗膜與水的接觸角大於900，所以粗糙的顯微結構可提高接觸角，約能提高至1400。另一方面，一個顯微粗糙表面，還可以使灰塵與塗膜的接觸面積降至原來的百分之一以下，從而使灰塵與水的粘附力大於灰塵與塗膜的附着力。因此，下雨時，雨水在墻面上成珠滾落，同時把灰塵帶走，使墻面保持乾燥和清潔，如圖2所示。這就是乳膠漆的荷葉效應機理。
移動水的自潔作用
德國玻恩大學開發出一個快速測定移動水清潔作用的試驗方法，稱為集灰試驗。即在塗膜試板上，撒一些炭黑或粉煤灰，接着滴幾滴水，使試板稍微傾斜晃動，從而水就在試板上來回移動。對於普通的塗膜，包括硅樹脂塗膜，隨着水的移動，在塗膜上留下含灰的水跡。對於荷葉效應乳膠漆塗膜，水成為一個大珠點，炭黑或粉煤灰集聚在大水珠的外圍，而塗膜仍保持幹淨清潔。
荷葉效應乳膠漆的耐沾污性
測試塗料耐沾污性較可靠的方法是將試板900放置的自然曝曬法。
荷葉效應乳膠漆具有很好的耐沾污性。
除了荷葉效應乳膠漆外，乳膠硅酸????復合塗料具有很好的耐沾污性。經觀察，其耐沾污性好是通過較大的表面粉化而達到的。而荷葉效應乳膠漆是由於自潔功能使其具有很好的耐沾污性。
實際工程的效果也證明了這一點。如廈門的一個荷葉效應乳膠漆塗刷的工程，三年多了，還仍然如新。
此外，荷葉效應乳膠漆具有很好的拒水透氣性和耐久性等。但在某些地區，還要註意所謂的雨筋問題。
總之，這是人們首次把自然界的荷葉效應應用於塗料産品。荷葉效應乳膠漆把硅樹脂塗料的優點和上萬年來自然界演變結果結合起來，進一步發展了現有的外墻塗料，尤其是硅樹脂塗料，從而使外墻保持乾燥、清潔、耐久成為可能。 |
荷花的其它神奇現象 Other magical phenomenon lotus |
 荷花效应 荷花的其它神奇现象荷花效应 荷花的其它神奇现象  荷花效应 荷花的其它神奇现象
荷花是水生植物，性喜相對穩定的平靜淺水，湖沼、澤地、池塘是其適生地。荷花的需水量由其品種而定，大株形品種如古代蓮、紅千葉相對水位深一些，但不能超過1.7米．中小株形衹適於20～60釐米的水深。同時荷花對失水十分敏感，夏季衹要３小時不灌水，缸栽荷葉便萎靡，若停水一日，則荷葉邊焦，花蕾回枯．荷花還非常喜光，生育期需要全光照的環境。荷花極不耐蔭，在半蔭處生長就會表現出強烈的趨光性．
都說荷花＂出淤泥而不染＂，這是人們對荷花人格化品德的贊揚。實際上，荷花的地下莖在淤泥中生長，哪有不被有毒物質侵染的呢？衹因藕的特別細密的表皮組織和含有丹寧的下皮，具有一定的阻擋或吸收有毒物質的能力，因而有毒物質多黏附在表皮上或滲入表皮中，人的肉眼看不見罷了。故此要記住在食用藕時削去外皮，不要把有毒物質也吃進肚中。
自古以來，荷花就因其在觀賞、食用、藥用及其他用途而得到人們的喜愛。風景名勝之處荷花的觀賞功能自不必說，它的食用功效也更是早為人知。早在五千年前，先人就已經采摘蓮實為糧了。先今人們則把藕、蓮子和花做成了菜餚，走進了國際市場。此外荷花的莖、葉、花、實都是中藥用材，有些部分還是某些疾病的特效藥呢。
荷花對生長環境有着極強的適應能力，不僅能在大小湖泊、池塘中吐紅搖翠，甚至在很小的盆碗中亦能風姿綽約，裝點人間。在我國荷文化史上，盆荷這種形式出現之初衹是被用於私家庭院觀賞。如今，在我國各地園林中，盆荷的應用非常廣泛。盆栽和池栽相結合的佈置手法，提高了盆荷的觀賞價值，在園林水景和園林小品中經常出現。荷花水石盆景是今幾年在杭州出現的一種新的盆景。它是荷花盆栽與水石盆景的有機結合，既體現山石的剛毅挺拔，又顯示荷花的嬌豔嫵媚。荷花盆景可選用珊瑚石、砂積石、斧劈石、英石等山石作材料。 |
|
| 荷花效應應用 | 荷花效應前景 | 荷花效應原理 | | 荷花效應概述 | 荷花效應乳膠漆 | |
|
