WikiDer > Эффект лотоса

Lotus effect
Вода на поверхности листа лотоса.
Капли воды на таро лист с эффектом лотоса (вверху) и увеличенная поверхность листа таро (0–1 - один миллиметр пролет) с несколькими небольшими выступами (внизу).
Компьютерная графика поверхности листьев лотоса.
Капля воды на поверхности лотоса с углами контакта примерно 147 °.

В эффект лотоса относится к самоочищающимся свойствам, которые являются результатом ультрагидрофобность как показано на листьях Нелумбо или «цветок лотоса».[1] Частицы грязи улавливаются 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 Тропеол (настурция), Опунция (опунция), Алхемилла, тростник, а также на крыльях некоторых насекомых.[2]

Явление ультрагидрофобности было впервые изучено Деттре и Джонсоном в 1964 году.[3] использование грубых гидрофобных поверхностей. В их работе была разработана теоретическая модель, основанная на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или PTFE теломер. Самоочищающаяся способность ультрагидрофобных микро-наноструктурированный поверхности изучали Вильгельм Бартлотт и Элер в 1977 г.,[4] кто впервые описал такие самоочищающиеся и ультрагидрофобные свойства 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 действия

Высокое поверхностное натяжение воды заставляет капли принимать 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 смачивание поверхности. Может произойти полное или неполное смачивание в зависимости от структуры поверхности и натяжения жидкости капли.[12]Причина самоочищающихся свойств - 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 наложены 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 угол контакта. 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 контакта до 160 ° и называются ультрагидрофобными, что означает, что только 2–3% поверхности капли (типичного размера) контактируют. 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 патогены подобно грибы или же водоросли рост, а также для животных вроде бабочки, стрекозы и другие насекомые, не способные очистить все части своего тела. Еще одним положительным эффектом самоочищения является предотвращение загрязнения участка поверхности растения, подверженного воздействию света, что приводит к снижению фотосинтеза.

Техническое приложение

Когда было обнаружено, что самоочищающиеся свойства ультрагидрофобных поверхностей зависят от физико-химических свойств в микроскопическом и наноскопическом масштабе, а не от конкретных химических свойств поверхности листа,[18][19][20] появилась возможность использовать этот эффект на искусственных поверхностях, имитируя природу в общем, а не конкретным образом.

Немного нанотехнологи разработали средства обработки, покрытия, краски, черепицу, ткани и другие поверхности, которые могут оставаться сухими и очищать себя за счет технического воспроизведения самоочищающихся свойств растений, таких как лотос. Обычно этого можно достичь с помощью специальной фторхимической или силиконовой обработки структурированных поверхностей или 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 низким уровнем обслуживания, 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).[нужна цитата] Швейцарские компании HeiQ и Schoeller Textil разработали устойчивые к пятнам ткани под торговыми марками "HeiQ Eco Dry" и "наносфера"соответственно. В октябре 2005 года испытания Исследовательского института Хоэнштайна показали, что одежда, обработанная технологией NanoSphere, позволяет легко смыть томатный соус, кофе и красное вино даже после нескольких стирок. Другим возможным вариантом применения является самоочищение навесов. тенты и паруса, которые в противном случае быстро загрязняются и их трудно чистить.

Нанесение супергидрофобных покрытий на микроволновые антенны может значительно снизить дождь исчезнет и накопление льда и снега. В рекламе продукты, которые легко чистятся, часто ошибочно принимают за самоочищающиеся свойства гидрофобных или ультрагидрофобных поверхностей.[требуется разъяснение] Ультрагидрофобные поверхности с рисунком также перспективны для микрожидкостных устройств «лаборатория на кристалле» и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ.[23]

Супергидрофобные или гидрофобные свойства использовались при сборе росы или при отводе воды в бассейн для использования при орошении. В Groasis Waterboxx имеет крышку с микроскопической пирамидальной структурой, основанной на ультрагидрофобных свойствах, которые направляют конденсат и дождевую воду в резервуар для выпуска к корням растущего растения.[24]

История исследований

Хотя феномен самоочищения лотоса, возможно, был известен в Азии задолго до этого (упоминание об эффекте лотоса встречается в Бхагавад Гита,[25]) его механизм был объяснен только в начале 1970-х годов после введения растровый электронный микроскоп.[4][16] Исследования проводились с листьями Тропеол и лотос (Нелумбо).[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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Lafuma, A .; Кере, Д. (2003). «Супергидрофобные состояния». Материалы Природы. 2 (7): 457–460. Bibcode:2003НатМа ... 2..457л. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1021 / j100789a012.
  4. ^ а б 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 его изготовления Патент США 5,853,894 , Выдано 29 декабря 1998 г.
  6. ^ а б Бартлотт, Вильгельм; К. Нейнхейс (1997). «Чистота священного лотоса или спасение от загрязнения биологических поверхностей». Planta. 202: 1–8. Дои:10.1007 / s004250050096. S2CID 37872229.
  7. ^ Бартлотт, В., Мэйл, М., Бхушан, Б., и К. Кох. (2017). Поверхности растений: структуры и функции для биомиметических инноваций. Нано-Микро-буквы, 9(23), DOI: 10.1007 / s40820-016-0125-1.
  8. ^ Cheng, Y.T .; Родак, Д. Э. (2005). «Является ли лист лотоса супергидрофобным?». Appl. Phys. Lett. 86 (14): 144101. Bibcode:2005АпФЛ..86н4101С. Дои:10.1063/1.1895487.
  9. ^ Narhe, R.D .; Бейсенс, Д. А. (2006). «Конденсация воды на супергидрофобной поверхности шипа». Europhys. Lett. 75 (1): 98–104. Bibcode:2006ЭЛ ..... 75 ... 98Н. Дои:10.1209 / epl / i2006-10069-9.
  10. ^ Лай, С.С.С. «Подражание природе: физическая основа и искусственный синтез эффекта лотоса» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 30 сентября 2007 г.
  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. Дои:10.1039 / b804854a.
  12. ^ фон Байер; Х. С. (2000). «Эффект лотоса». Науки. 40: 12–15. Дои:10.1002 / j.2326-1951.2000.tb03461.x.
  13. ^ Neinhuis, C .; Бартлотт, В. (1997). «Характеристика и распределение водоотталкивающих, самоочищающихся поверхностей растений». Анналы ботаники. 79 (6): 667–677. Дои: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. ^ Форбс, П. (2005). Стопа геккона, биовдохновение - разработка новых материалов и устройств от природы. Лондон: Четвертое сословие. п. 272. ISBN 978-0-00-717990-9.
  16. ^ а б Форбс, П. (2008). «Самоочищающиеся материалы». Scientific American. 299 (2): 67–75. Bibcode:2008SciAm.299b..88F. Дои: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. Дои:10.2351/1.5040641. ISSN 1042-346X.
  18. ^ Solga, A .; Cerman, Z .; Striffler, B.F .; Spaeth, M .; Бартлотт, В. (2007). «Мечта о чистоте: лотос и биомиметические поверхности». Биоинспирация и биомиметика. 2 (4): S126 – S134. Bibcode:2007БиБи .... 2..126С. CiteSeerX 10.1.1.477.693. Дои:10.1088 / 1748-3182 / 2/4 / S02. PMID 18037722.
  19. ^ Мюллер, Т. (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. Дои: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. Дои:10.1063/1.4905616.
  22. ^ Боргино, Дарио (21 января 2015 г.). «Лазеры помогают создавать водоотталкивающие, светопоглощающие и самоочищающиеся металлы». gizmag.com.
  23. ^ Ressine, A .; Марко-Варга, Г .; Лорелл, Т. (2007). Технология микрочипов из пористого кремниевого белка и ультра- / супергидрофобные состояния для улучшенного биоаналитического считывания. Ежегодный обзор биотехнологии. 13. С. 149–200. Дои: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 В архиве 2012-09-10 на Wayback Machine
  26. ^ Кумар, Маниш; Бхардвадж (2020). «Характеристики смачивания листа Colocasia esculenta (Taro) и его биоинспирированной поверхности». Научные отчеты. 10 (1): 935. Bibcode:2020НатСР..10..935К. Дои:10.1038 / s41598-020-57410-2. ЧВК 6976613. PMID 31969578.

внешняя ссылка