Эффект лотоса

Компьютерная графика поверхности листа лотоса.

Капля воды на поверхности лотоса с углами контакта примерно 147°.

Эффект лотоса относится к свойствам самоочищения, которые являются результатом ультрагидрофобности , проявляемой листьями Нелумбо , цветка лотоса. ^[1] Частицы грязи улавливаются каплями воды благодаря микро- и наноскопической структуре поверхности, что сводит к минимуму прилипание капель к этой поверхности. Ультрагидрофобность и свойства самоочищения обнаружены и 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] использование шероховатых гидрофобных поверхностей. В их работе была разработана теоретическая модель, основанная на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или из ПТФЭ теломером . Свойство самоочищения ультрагидрофобных микронаноструктурированных поверхностей было изучено Вильгельмом Бартлоттом и Элером в 1977 году. ^[4] который впервые описал такие самоочищающиеся и ультрагидрофобные свойства как «эффект лотоса»; Перфторалкильные и перфторполиэфирные ультрагидрофобные материалы были разработаны Брауном в 1986 году для работы с химическими и биологическими жидкостями. ^[5] Другие биотехнические применения появились с 1990-х годов. ^[6]^[7]^[8]^[9]^[10]^[11]

Принцип действия

Высокое поверхностное натяжение воды заставляет капли принимать почти сферическую форму, поскольку сфера имеет минимальную площадь поверхности, и поэтому эта форма сводит к минимуму поверхностную энергию твердого тела и жидкости. При контакте жидкости с поверхностью силы адгезии приводят к смачиванию поверхности. В зависимости от структуры поверхности и натяжения жидкости в капле может происходить как полное, так и неполное смачивание. ^[12]Причиной самоочищающихся свойств является гидрофобная водоотталкивающая двойная 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 состоит из характерного эпидермиса (его самого внешнего слоя, называемого кутикулой) и покровных восков. Эпидермис растения лотоса имеет сосочки высотой от 10 до 20 мкм и шириной от 10 до 15 мкм, на которых так называемые эпикутикулярные воски наложены . Эти наложенные воски гидрофобны и образуют второй слой двойной структуры. Эта система регенерирует. Это биохимическое свойство отвечает за функционирование водоотталкивающих свойств поверхности.

Гидрофобность поверхности можно измерить по ее контактному углу . Чем выше угол смачивания, тем выше гидрофобность поверхности. Поверхности с углом смачивания < 90° называются гидрофильными, а с углом смачивания > 90° - гидрофобными. Некоторые растения имеют угол контакта до 160 ° и называются ультрагидрофобными, что означает, что только 2–3% поверхности капли (типичного размера) находится в контакте. Растения с двойной структурированной поверхностью, такие как лотос, могут достигать угла контакта 170°, при этом площадь контакта капли составляет всего 0,6%. Все это приводит к эффекту самоочищения.

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, сцепление 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 создании супергидрофобной поверхности. ^[17] Поскольку эффект самоочистки основан на высоком поверхностном натяжении воды, он не работает с органическими растворителями. Следовательно, гидрофобность поверхности не является защитой от граффити.

Этот эффект имеет большое значение для растений как защита от патогенов, таких как грибки или рост водорослей , а также для животных, таких как бабочки , стрекозы и другие насекомые, которые не способны очистить все части своего тела.Еще одним положительным эффектом самоочистки является предотвращение загрязнения участка поверхности растения, подвергающегося воздействию света, что приводит к снижению фотосинтеза.

Техническое применение

Когда было обнаружено, что свойства самоочищения ультрагидрофобных поверхностей обусловлены физико-химическими свойствами на микроскопическом и наноскопическом уровне, а не специфическими химическими свойствами поверхности листьев, ^[18]^[19]^[20] появилась возможность использовать этот эффект в искусственных поверхностях, имитируя природу в общем, а не конкретном виде.

Некоторые нанотехнологи разработали методы обработки, покрытия, краски, черепицу, ткани и другие поверхности, которые могут оставаться сухими и очищать себя, технически воспроизводя свойства самоочищения растений, таких как растение лотоса. Обычно этого можно достичь с помощью специальной фторхимической или силиконовой обработки структурированных поверхностей или с помощью композиций, содержащих микрочастицы.

В дополнение к химической обработке поверхности, которую можно удалить со временем, металлы обрабатываются фемтосекундными импульсными лазерами для создания эффекта лотоса. ^[21] Материалы имеют равномерный черный цвет под любым углом, что в сочетании со свойствами самоочистки может привести к созданию коллекторов солнечной тепловой энергии с очень низкими эксплуатационными расходами, а высокая прочность металлов может быть использована для самоочищающихся туалетов, чтобы уменьшить передачу болезней. ^[22]

На рынок поступили и другие приложения, такие как самоочищающиеся стекла, установленные в датчиках устройств управления дорожным движением на немецких автобанах, разработанные партнером по сотрудничеству (Ferro GmbH). ^{[ нужна ссылка ]} Швейцарские компании HeiQ и Schoeller Textil разработали устойчивый к загрязнениям текстиль под торговыми марками « HeiQ Eco Dry » и « наносфера » соответственно. В октябре 2005 года испытания Исследовательского института Хоэнштайн показали, что одежда, обработанная по технологии NanoSphere, позволяет легко смыть томатный соус, кофе и красное вино даже после нескольких стирок. Другим возможным применением являются самоочищающиеся навесы, брезенты и паруса, которые в противном случае быстро загрязняются и их трудно очистить.

Супергидрофобные покрытия, нанесенные на микроволновые антенны, могут значительно уменьшить затухание под дождем и накопление льда и снега. В рекламе продуктов, которые легко чистятся, часто ошибочно принимают за самоочищающиеся свойства гидрофобных или ультрагидрофобных поверхностей. Узорчатые ультрагидрофобные поверхности также перспективны для микрофлюидных устройств «лаборатории на чипе» и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ. ^[23]

Супергидрофобные или гидрофобные свойства использовались при сборе росы или перенаправлении воды в бассейн для использования в ирригации. Groasis Waterboxx имеет крышку с микроскопической пирамидальной структурой, основанной на ультрагидрофобных свойствах, которые направляют конденсат и дождевую воду в резервуар для высвобождения 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-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] Подобно эффекту лотоса, недавнее исследование выявило на листе таро сотовую микроструктуру, которая делает лист супергидрофобным. Измеренный угол контакта этого листа в этом исследовании составляет около 148 градусов. ^[26]

См. также

Ссылки

^ Лафума, А.; Кере, Д. (2003). «Супергидрофобные состояния». Природные материалы . 2 (7): 457–460. Бибкод : 2003NatMa...2..457L . дои : 10.1038/nmat924 . ПМИД 12819775 . S2CID 19652818 .
^ Бартлотт, В. (2023): «Открытие эффекта лотоса как ключевой инновации в биомиметических технологиях» - в: Справочник по самоочищающимся поверхностям и материалам: от основ к применению, глава 15, стр. 359-369 - Вили-ВЧ, https://doi.org/10.1002/9783527690688.ch15
^ Рулон Э. Джонсон-младший; Роберт Х. Деттре (1964). «Гистерез контактного угла. III. Исследование идеализированной неоднородной поверхности». Дж. Физ. хим. 68 (7): 1744–1750. дои : 10.1021/j100789a012 .
^ Jump up to: ^а ^б Бартлотт, Уильям; Элер, Н. (1977). «Сканирующая электронная микроскопия поверхности эпидермиса сперматофитов». Тропическая и субтропическая флора . 19 :110.
^ Лабораторный сосуд Брауна с гидрофобным покрытием и способ производства. Тот же патент США № 5 853 894 , выдан 29 декабря 1998 г.
^ Jump up to: ^а ^б Бартлотт, Вильгельм; К. Найнхейс (1997). «Чистота священного лотоса или спасение от загрязнения биологических поверхностей». Планта . 202 : 1–8. дои : 10.1007/s004250050096 . S2CID 37872229 .
^ 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 .
^ Ченг, Ю.Т.; Родак, Делавэр (2005). «Является ли лист лотоса супергидрофобным?». Прил. Физ. Летт. 86 (14): 144101. Бибкод : 2005ApPhL..86n4101C . дои : 10.1063/1.1895487 .
^ Наре, РД; Бейсенс, Д.А. (2006). «Конденсация воды на супергидрофобной поверхности шипа». Еврофиз. Летт. 75 (1): 98–104. Бибкод : 2006EL.....75...98N . дои : 10.1209/epl/i2006-10069-9 .
^ Лай, С.К.С. «Имитация природы: физическая основа и искусственный синтез эффекта лотоса» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 сентября 2007 г.
^ Кох, К.; Бхушан, Б.; Бартлотт, В. (2008). «Разнообразие строения, морфологии и смачивания поверхности растений. Мягкое вещество». Мягкая материя . 4 (10): 1943. Бибкод : 2008SMat....4.1943K . дои : 10.1039/b804854a .
^ фон Байер; ХК (2000). «Эффект лотоса». Науки . 40 : 12–15. дои : 10.1002/j.2326-1951.2000.tb03461.x .
^ Найнхейс, К.; Бартлотт, В. (1997). «Характеристика и распространение водоотталкивающих, самоочищающихся поверхностей растений» . Анналы ботаники . 79 (6): 667–677. дои : 10.1006/anbo.1997.0400 .
^ Бартлотт, Вильгельм; Найнхейс, К. (2001). «Эффект лотоса: природная модель самоочищающихся поверхностей». Международный текстильный бюллетень . 1 :8–12.
^ Форбс, П. (2005). Нога геккона, Био-вдохновение – Разработка новых материалов и устройств от природы . Лондон: Четвертое сословие. п. 272. ИСБН 978-0-00-717990-9 .
^ Jump up to: ^а ^б Форбс, П. (2008). «Самоочищающиеся материалы». Научный американец . 299 (2): 67–75. Бибкод : 2008SciAm.299b..88F . doi : 10.1038/scientificamerican0808-88 . ПМИД 18666684 .
^ Серлес, Питер; Никумб, Сувас; Бордачев, Евгений (15 июня 2018 г.). «Супергидрофобные и супергидрофильные функционализированные поверхности с помощью пикосекундного лазерного текстурирования». Журнал лазерных приложений . 30 (3): 032505. Бибкод : 2018JLasA..30c2505S . дои : 10.2351/1.5040641 . ISSN 1042-346X .
^ Солга, А.; Черман, З.; Стрифлер, БФ; Шпет, М.; Бартлотт, В. (2007). «Мечта оставаться чистым: Лотос и биомиметические поверхности». Биоинспирация и биомиметика . 2 (4): С126–С134. Бибкод : 2007БиБи....2..126S . CiteSeerX 10.1.1.477.693 . дои : 10.1088/1748-3182/2/4/S02 . ПМИД 18037722 .
^ Мюллер, Т. (апрель 2008 г.). «Биомиметика, дизайн природы». Журнал National Geographic : 68.
^ Го, З.; Чжоу, Ф.; Хао, Дж.; Лю, В. (2005). «Стабильные биомиметические супергидрофобные инженерные материалы». Дж. Ам. хим. Соц. 127 (45): 15670–15671. дои : 10.1021/ja0547836 . ПМИД 16277486 .
^ Воробьев А.Ю.; Го, Чунлей (2015). «Многофункциональные поверхности, создаваемые фемтосекундными лазерными импульсами» . Журнал прикладной физики . 117 (3): 033103. Бибкод : 2015JAP...117c3103V . дои : 10.1063/1.4905616 .
^ Боргино, Дарио (21 января 2015 г.). «Лазеры помогают создавать водоотталкивающие, светопоглощающие, самоочищающиеся металлы» . gizmag.com .
^ Рессин, А.; Марко-Варга, Г.; Лорел, Т. (2007). Технология пористых кремниевых белковых микрочипов и ультра-/супергидрофобные состояния для улучшения биоаналитических результатов . Ежегодный обзор биотехнологии. Том. 13. С. 149–200. дои : 10.1016/S1387-2656(07)13007-6 . ISBN 978-0-444-53032-5 . ПМИД 17875477 .
^ «Различные формы конденсации – Технология» .
↑ Бхагавад Гита 5.10. Архивировано 10 сентября 2012 г. в Wayback Machine.
^ Кумар, Маниш; Бхардвадж (2020). «Смачивающие характеристики листа Colocasia esculenta (Taro) и его биотехнологическая поверхность» . Научные отчеты . 10 (1): 935. Бибкод : 2020НатСР..10..935К . дои : 10.1038/s41598-020-57410-2 . ПМК 6976613 . ПМИД 31969578 .

Внешние ссылки

[Lafuma2003-1] Лафума, А.; Кере, Д. (2003). «Супергидрофобные состояния». Природные материалы . 2 (7): 457–460. Бибкод : 2003NatMa...2..457L . дои : 10.1038/nmat924 . ПМИД 12819775 . S2CID 19652818 .

[2] Бартлотт, В. (2023): «Открытие эффекта лотоса как ключевой инновации в биомиметических технологиях» - в: Справочник по самоочищающимся поверхностям и материалам: от основ к применению, глава 15, стр. 359-369 - Вили-ВЧ, https://doi.org/10.1002/9783527690688.ch15

[Dettre1964-3] Рулон Э. Джонсон-младший; Роберт Х. Деттре (1964). «Гистерез контактного угла. III. Исследование идеализированной неоднородной поверхности». Дж. Физ. хим. 68 (7): 1744–1750. дои : 10.1021/j100789a012 .

[Barthlott1977-4] Jump up to: ^а ^б Бартлотт, Уильям; Элер, Н. (1977). «Сканирующая электронная микроскопия поверхности эпидермиса сперматофитов». Тропическая и субтропическая флора . 19 :110.

[5] Лабораторный сосуд Брауна с гидрофобным покрытием и способ производства. Тот же патент США № 5 853 894 , выдан 29 декабря 1998 г.

[Barthlott1997-6] Jump up to: ^а ^б Бартлотт, Вильгельм; К. Найнхейс (1997). «Чистота священного лотоса или спасение от загрязнения биологических поверхностей». Планта . 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 .

[Cheng2005-8] Ченг, Ю.Т.; Родак, Делавэр (2005). «Является ли лист лотоса супергидрофобным?». Прил. Физ. Летт. 86 (14): 144101. Бибкод : 2005ApPhL..86n4101C . дои : 10.1063/1.1895487 .

[Narhe2006-9] Наре, РД; Бейсенс, Д.А. (2006). «Конденсация воды на супергидрофобной поверхности шипа». Еврофиз. Летт. 75 (1): 98–104. Бибкод : 2006EL.....75...98N . дои : 10.1209/epl/i2006-10069-9 .

[10] Лай, С.К.С. «Имитация природы: физическая основа и искусственный синтез эффекта лотоса» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 сентября 2007 г.

[Koch2008-11] Кох, К.; Бхушан, Б.; Бартлотт, В. (2008). «Разнообразие строения, морфологии и смачивания поверхности растений. Мягкое вещество». Мягкая материя . 4 (10): 1943. Бибкод : 2008SMat....4.1943K . дои : 10.1039/b804854a .

[Baeyer2000-12] фон Байер; ХК (2000). «Эффект лотоса». Науки . 40 : 12–15. дои : 10.1002/j.2326-1951.2000.tb03461.x .

[Neinhuis1997-13] Найнхейс, К.; Бартлотт, В. (1997). «Характеристика и распространение водоотталкивающих, самоочищающихся поверхностей растений» . Анналы ботаники . 79 (6): 667–677. дои : 10.1006/anbo.1997.0400 .

[Barthlott2001-14] Бартлотт, Вильгельм; Найнхейс, К. (2001). «Эффект лотоса: природная модель самоочищающихся поверхностей». Международный текстильный бюллетень . 1 :8–12.

[Forbes2005-15] Форбс, П. (2005). Нога геккона, Био-вдохновение – Разработка новых материалов и устройств от природы . Лондон: Четвертое сословие. п. 272. ИСБН 978-0-00-717990-9 .

[Forbes2008-16] Jump up to: ^а ^б Форбс, П. (2008). «Самоочищающиеся материалы». Научный американец . 299 (2): 67–75. Бибкод : 2008SciAm.299b..88F . doi : 10.1038/scientificamerican0808-88 . ПМИД 18666684 .

[17] Серлес, Питер; Никумб, Сувас; Бордачев, Евгений (15 июня 2018 г.). «Супергидрофобные и супергидрофильные функционализированные поверхности с помощью пикосекундного лазерного текстурирования». Журнал лазерных приложений . 30 (3): 032505. Бибкод : 2018JLasA..30c2505S . дои : 10.2351/1.5040641 . ISSN 1042-346X .

[Solga2007-18] Солга, А.; Черман, З.; Стрифлер, БФ; Шпет, М.; Бартлотт, В. (2007). «Мечта оставаться чистым: Лотос и биомиметические поверхности». Биоинспирация и биомиметика . 2 (4): С126–С134. Бибкод : 2007БиБи....2..126S . CiteSeerX 10.1.1.477.693 . дои : 10.1088/1748-3182/2/4/S02 . ПМИД 18037722 .

[19] Мюллер, Т. (апрель 2008 г.). «Биомиметика, дизайн природы». Журнал National Geographic : 68.

[20] Го, З.; Чжоу, Ф.; Хао, Дж.; Лю, В. (2005). «Стабильные биомиметические супергидрофобные инженерные материалы». Дж. Ам. хим. Соц. 127 (45): 15670–15671. дои : 10.1021/ja0547836 . ПМИД 16277486 .

[21] Воробьев А.Ю.; Го, Чунлей (2015). «Многофункциональные поверхности, создаваемые фемтосекундными лазерными импульсами» . Журнал прикладной физики . 117 (3): 033103. Бибкод : 2015JAP...117c3103V . дои : 10.1063/1.4905616 .

[22] Боргино, Дарио (21 января 2015 г.). «Лазеры помогают создавать водоотталкивающие, светопоглощающие, самоочищающиеся металлы» . gizmag.com .

[Ressine2007-23] Рессин, А.; Марко-Варга, Г.; Лорел, Т. (2007). Технология пористых кремниевых белковых микрочипов и ультра-/супергидрофобные состояния для улучшения биоаналитических результатов . Ежегодный обзор биотехнологии. Том. 13. С. 149–200. дои : 10.1016/S1387-2656(07)13007-6 . ISBN 978-0-444-53032-5 . ПМИД 17875477 .

[24] «Различные формы конденсации – Технология» .

[BhagavadGita-25] Бхагавад Гита 5.10. Архивировано 10 сентября 2012 г. в Wayback Machine.

[26] Кумар, Маниш; Бхардвадж (2020). «Смачивающие характеристики листа Colocasia esculenta (Taro) и его биотехнологическая поверхность» . Научные отчеты . 10 (1): 935. Бибкод : 2020НатСР..10..935К . дои : 10.1038/s41598-020-57410-2 . ПМК 6976613 . ПМИД 31969578 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]