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 архитектуре 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 впервые было изучено Деттре и Джонсоном в 1964 году [3] с использованием шероховатых гидрофобных поверхностей. В их работе была разработана теоретическая модель, основанная на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или теломером из ПТФЭ . Свойство самоочищения ультрагидрофобных микронаноструктурированных поверхностей было изучено Вильгельмом Бартлоттом и Элером в 1977 году [4] , которые впервые описали 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]
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 произойти 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 покрывающего воска. Эпидермис растения лотоса имеет сосочки высотой от 10 до 20 мкм и шириной от 10 до 15 мкм, на которых наложены так называемые эпикутикулярные воски . 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.
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] возникла возможность использование этого эффекта на 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 с помощью фемтосекундных импульсных лазеров 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 долговечность 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 цитата ] 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 Хоэнштайна 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 чистить.
Супергидрофобные покрытия, нанесенные на микроволновые антенны, могут значительно уменьшить замирание 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, которая направляет конденсат и дождевую воду в резервуар для высвобождения к корням растущего растения. [24]
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 лишь 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 микроструктуры в виде сот, которые делают лист супергидрофобным. Измеренный угол контакта этого листа в этом исследовании составляет около 148 градусов. [26]
СМИ, связанные с анимацией эффекта лотоса, на Викискладе?