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英语Self-cleaning surfaces(self-cleaning)的特性。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。

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水在莲叶表面的样子
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水在莲叶表面的动画图

原理及证明

公元1997年,德国波昂大学植物学家威廉·巴斯洛德(Wilhelm Barthlott),创造莲叶效应(Lotus effect)一词的人[1][2],以人造灰尘粒子污染赫蕉倪藤玉兰林山毛榉莲花甘蓝、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。[2]

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,由组成的结晶[3],及约100~200奈米的纤毛[1][3]。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[2]

例子

莲花、芋、甘蓝、须菊木属的Mutisia decurrens[2]艳紫荆变叶木等植物的叶片[4],及闪蝶属的翅膀。[5]

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。通常使用氟化物处理表面而达到此效果;利用葡萄糖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。

参考文献

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