荷叶效应

荷叶效应（英语：lotus effect），也称作莲花效应，是材料工程领域中的一个术语，指睡莲科植物，尤其是莲（Nelumbo nucifera）叶表面具有超疏水性以及自洁（英语：Self-cleaning surfaces）（self-cleaning）特性。莲叶表面疏水，落在叶面的雨水会因表面张力形成水珠，使水与叶面的接触角大于150度，只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚离叶面，并且可以带走灰尘和污泥，达到自我洁净的效果。

水在莲叶表面的样子

水在莲叶表面的动画图

原理及证明

尽管莲花通常生长于泥泞的池塘或沼泽，其叶片与花朵却能保持洁净状态。在印度教中，莲花象征着纯洁与善良；在中国与日本，也常以“出淤泥而不染”来称颂莲花的高洁。^[1]

公元1997年，德国波昂大学植物学家威廉·巴斯洛德（Wilhelm Barthlott），创造荷叶效应一词^[2][3]，以人造灰尘粒子污染赫蕉、倪藤、玉兰、林山毛榉、莲花、芋、甘蓝、及须菊木属的Mutisia decurrens等八种植物，再以人造雨清洗两分钟，最后倾斜叶面15度让雨珠滑落，并观察叶面表面灰尘残留的状况。结果显示，前四种叶片的灰尘残留率超过40%，而后四种植物的灰尘残留率比例皆小于5%。将以上八种植物以水在其叶面上做接触角之分析实验，可发现结果分为两项区域，其中前四种植物的接触角介于28~72度角之间；而后四种植物接触角介于130~160度角之间。当接触角为0时，代表液体可完全润湿物体表面，而当接触角为180时，代表液体完全无法润湿物体表面。^[3]

水的高表面张力促使水珠趋于形成球形，以最小化表面积并降低液-固界面的表面能。当水滴与固体表面接触时，黏附力会导致润湿现象发生。润湿程度取决于表面结构与液滴的张力。^[4]自清洁能力源于叶面表层的双重疏水结构。^[5]该结构显著减少了水滴与表面的接触面积与黏附力，从而促使水滴易于滚落，携带污物离开表面。^[6][7][8]

以莲叶为例，莲叶表面布满5~15微米的突起表皮细胞，上面覆盖直径约100奈米，由蜡组成的结晶^[9]，及约100~200奈米的纤毛^[2][9]。由扫描式电子显微镜观察上面8种植物，可以看到接触角小于100度的植物，表面较为平坦；而接触角大于130度的植物叶片，上面除了有大的突起，也有一些类似纤毛的结构，约为100至200奈米左右。另外，须菊木属的Mutisia decurrens叶面上并没有纤毛结构，但表面较为粗糙^[3]。

例子

莲花、芋、甘蓝、须菊木属的Mutisia decurrens^[3]、艳紫荆、变叶木等植物的叶片^[10]，及闪蝶属的翅膀。^[11]

应用

一些奈米科技学家正在开发一些方法，使涂料、屋瓦、纺织品和其它表面可保持干燥和干净，就如莲叶表面的方式相似。通常使用氟化物或硅处理表面而达到此效果；利用葡萄糖和蔗糖化合成聚乙二醇亦可达到此效果。有自洁效应的新涂料，目前已被发展，甚至有自洁功能的玻璃板也已经进入市场，使用于温室的屋顶等。

在日常生活中的应用实例包括日本森永乳业所采用的一种特殊铝制酸奶盖。传统铝盖容易沾附酸奶残留，但通过仿效荷叶原理，森永乳业与东洋铝业合作开发了名为“TOYAL LOTUS”的疏水包装材料，有效减少了酸奶在盖背的附着问题。^[12][13]