莲花效应 - Wikiwand
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莲花效应

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水在莲叶表面的样子
水在莲叶表面的样子
水在莲叶表面的动画图
水在莲叶表面的动画图

莲花效应(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(self-cleaning)的特性。在东方文化里,莲花是纯净的象征。虽然,莲花喜欢生长在泥泞的湿地,但其叶子和花仍保持干净,这就是自洁的效果。植物学家研究莲叶表面发现它们有一个自然洁净的机制。

莲叶的微观结构和表面化学意味着不会被水浸润;水滴在叶片表面就如水银一般,并且可以带走污泥、小昆虫及污染物。而且,水滴在芋头叶子亦有相似的行为。

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。

表面有疏水性质的方法是将铝浸在氢氧化钠几个小时之后,再利用旋转涂覆的方法,涂上一层厚度为 2 nm 的全氟壬烷(perfluorononane)。这样将使接触角从67°变成168°,此现象可用Cassie's law解释。电子显微镜可显示铝的表面像莲叶表面一样有多孔微小的结构。

杨氏公式

当液体润湿固体表面时,原本气-固的界面被液-固的界面所取代,而气-固与液-固之界面张力的差, 称之为“湿润张力”。当气-固的界面张力大于液-固的界面张力时,也就是固体和液体间的吸引力大于固体和气体间的吸引力时,固体和气体间的界面张力会将液-固界面拉伸。换句话说,被湿润的固体表面有较低的界面张力,因此液体会在固体表面扩张。当液体滴在固体表面上时,固体表面和液滴切线的夹角,就是所谓的接触角。而湿润张力和接触角的关系,可以用杨氏公式英语Wetting#Ideal solid surfaces表述:

气-固界面张力 - 液-固界面张力 = 气-液界面张力 × 接触角的余弦函数

由于水滴在莲叶表面的接触角很大,代表莲叶与空气间的界面张力很低,水滴不易湿润其表面。

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