Что такое эффект лотоса
Эффект лотоса
Эффект лотоса — эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и лепестках растений рода Лотос ( Nelumbo ), и других растений, как например настурция, тростник обыкновенный и водосбор.
Вода, попадающая на поверхность листьев, сворачивается в шарикообразные капли. При стекании с листа вода заодно захватывает с собой частицы пыли, тем самым очищая поверхность растения.
Эффект возникает как по причине особенностей микростроения поверхности, так и по причине её высокой гидрофобности. Биологическое значение эффекта лежит в защите растения от заселения микроорганизмами, грибами и водорослями. Дополнительный эффект самоочищения лежит в бо́льшем коэффициенте полезного действия фотосинтеза.
Подобное действует и для насекомых. Со своими ногами они не могут достать и чистить все районы своего тела. Тем лучше для них, когда влажность и пыль самостоятельно стекают. Похожим образом устроены крылья бабочек и многих других насекомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они потеряли бы способность летать.
Эффект лотоса был открыт немецким ботаником Вильгельмом Бартлоттом в 1990-х годах, хотя о свойствах листьев лотоса известно давно.
Одно из практических направлений изучения этого эффекта — создание так называемых супергидрофобных материалов.
Принцип работы
Благодаря высокому поверхностному натяжению капли воды стремятся уменьшить поверхность, собираясь в сферическую форму. При контакте жидкости с поверхностью силы сцепления приводят к смачиванию поверхности. Степень смачивания зависит от структуры поверхности и от натяжения жидкости капли.
Лепестки лотоса покрыты микроскопическими выступами. Кроме того, лист покрыт восковым слоем, который вырабатывается в железах растения. [1]
Силиконовая краска с эффектом цветка “Лотоса”
Что такое эффект лотоса?
Чем LOTUS отличается от всех других красок?
Исключительностью краски LOTUS является совокупность хорошо известных преимуществ других силиконовых красок (высокая гидрофобность, отличная паропроницаемость, высокая эластичность покрытия) со свойствами микроструктуры, аналогичной структуре листьев лотоса.
Именно благодаря формированию на поверхности фасада такой микроструктуры стены, остаются всегда сухими и чистыми.
Механизм проявления «эффекта Лотоса» Покрытие, выполненное краской Лотус, формирует абсолютно новую микроструктуру поверхности, благодаря которой поверхность, имеющая контакт с частичками грязи и воды, минимальна, это позволило создать супергидрофобную, не намокаемую поверхность. Капли дождя не растекаются, а скатываются по поверхности стены, смывая при этом находящиеся на поверхности фасада частички грязи. Этому способствует также и то, что образовавшаяся микроструктура в несколько раз (до 90%) понижает связь частичек загрязнений с поверхностью стены, что также способствует активной самоочистке фасада.
На фасадных поверхностях, окрашенных обычными фасадными красками, не образуется особая микроструктура, похожая на микроструктуру поверхности листьев лотоса. Капли воды не скатываются, а стекают по поверхности. Частички пыли и грязи имеют на таких стенах существенно большую площадь контакта со стеной, а, следовательно, и лучше связаны с поверхностью основания. Стекающая по стене вода не приводит к освобождению стены от таких загрязнений. На стенах остаются грязные подтеки и следы от стекающих струек воды.
LOTUS сохраняет фасады, они остаются чистыми и сухими, отсутствует природная среда для размножения микроорганизмов и грибков.
Грязь и влага являются средой для развития на поверхностях стен микроорганизмов, грибков и плесени, поэтому с течением времени загрязнения на фасадах становятся все более заметными.
Эффект лотоса ® (Lotus Effect ®) был открыт профессором Вильгельмом Бартлоттом из университета г. Бонна. Это биологическое открытие вызвало огромный интерес во всем мире. За свои исследования профессор Бартлотт был неоднократно удостоен престижных наград за успехи в области науки (премия им. К.-Х. Бекуртса, исследовательская премия Ф. Морриса), номинирован на получение награды Президента ФРГ.
Поиски профессора Бартлотта возможностей технического применения своего открытия первыми в мире реализовали специалисты научно-исследовательского центра фирмы Suedwest, занимающегося разработкой новых строительных продуктов, прежде всего на силиконовой основе. Успешное сочетание эффекта Лотоса с преимуществами проверенных силиконовых красок этой фирмы позволило получить краску LOTUS, образующую на поверхности фасада микроструктуру, аналогичную микроструктуре листьев Лотоса. В результате появился уникальный на сегодняшний день по своим защитным и техническим характеристикам продукт.
Микроструктура листьев лотоса при 7000-кратном увеличении. На снимке четко видна уникальная микроструктура листьев, благодаря которой поверхность, контактирующая с водой и грязью, минимизирована. Вода полностью стекает с листьев, смывая осажденную на них грязь. Именно поэтому цветок Лотоса в азиатских религиях почитается как символ чистоты.
Точное воспроизведение Эффекта Лотоса ® при применении краски Лотус.
При таком же увеличении можно увидеть структуру поверхности, покрытой краской Лотус, она практически идентична структуре поверхности листьев лотоса. Благодаря такой структуре вода и грязь не задерживаются на поверхности фасада.
Лотус позволяет получить долговечные, превосходные по своим характеристикам фасадные покрытия, защищающие фасад более надежно и более продолжительный срок, чем любые другие известные на сегодняшний день краски.
ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Уникальная гидрофобность и “эффект лотоса”: история открытия
Лотос является одним из важнейших символов Востока и не только. Например, во времена фараонов лотос был символом Нижнего Египта и царской власти: цветок лотоса носила Нефертити. Бог растительности, Нефертум, также олицетворял первозданный лотос и поэтому именовался „молодым солнцем, что возникает из раскрывающегося лотоса“. В индуизме и буддизме лотос фактически один из основных символов космогонии, он олицетворяет чистоту, мудрость, нирвану и многое другое. Кстати, главная буддистская словесная формула (ом-мане-падме-хум) означает просто восхваление сокровища в виде цветка лотоса. В Китае цветок лотоса обожествлялся ещё со времён даосизма, а затем его культ прочно вошёл в буддистскую религию и в национальную культуру.
История почитания лотоса очень интересна, но для современности важнее то, что он действительно обладает необычными физико-химическими свойствами. Благодаря особому строению и очень высокой гидрофобности его листьев и лепестков цветы лотоса остаются удивительно чистыми — именно это поражало наших далёких предков. Цветок, возникший в грязном болоте и оставшийся чистым, незапятнанным, просто не мог не стать символом.
Стихотворение средневекового корейского поэта Сон Кана (Чон Чхоля), написанное в форме классического трёхстишия сичжо (в переводе А. Ахматовой), прямо описывает эффект сверхгидрофобности лотоса:
Чем дождь сильнее льёт,
Тем лотос всё свежее;
Но лепестки, заметь,
Совсем не увлажнились.
Хочу, чтобы душа
Была чиста, как лотос.
Вот почему многие химики и материаловеды называют технологии получения сверхгидрофобных покрытий «лотосовыми».
Но как ему удается добиться такой сверхгидрофобности. “Эффект Лотоса” был открыт в 1990-е гг. немецким ботаником, профессором Вильгельмом Бартлоттом. Он показал, что лепестки цветка покрыты крошечными шишечками или “наночастицами”. На рисунке мы видим поверхность лотоса под электронным микроскопом.
Но лист вдобавок как бы намазан воском. Он вырабатывается в железах растения, что делает его совершенно неуязвимым для воды.
Как же повторить уникальное свойство. Над этим работают ученые многих стран мира. Пока создано несколько покрытий, отвечающих подобными свойствами.
Первое из них создано в Японии – это тончайшая пленка с выступами и впадинами:
Секрет метода создания пленки в том, что в среду вводят микрочастицы органокремниевых соединений (полиорганосиланы), причём они могут содержать фтор (фторалкилсилан), а могут и не содержать.
Регулируя условия, в которых проходит процесс, авторы получили прочную, износостойкую и одновременно прозрачную гидрофобную плёнку для многих систем. Углы смачивания микрокапель воды на таких плёнках — от 150 до 160°. Такой подход позволяет покрыть сверхгидрофобной плёнкой многие поверхности: стекло, пластик, бумагу, словом, любое покрытие, способное выдержать условия осаждения.
Другой метод основан на использовании электрохимического способа. Используются при этом никель и тефлон. Процесс напоминает никелирование, но с электролитом, содержащим тефлон. Тефлон — электрически нейтральное соединение, поэтому, для того чтобы он участвовал в электролизе, его частицы перед добавлением в никельсодержащий электролит предварительно обрабатывают катионным поверхностно-активным веществом (ПАВ). Это помогает смешивать тефлон с электролитом. На втором этапе соосаждающиеся с ионами никеля частицы тефлона за счёт так называемого якорного эффекта закрепляются на поверхности. На покрытии возникают локальные очаги повышенной плотности и прочности, т.к. ток распределяется неравномерно.
С другой стороны, именно на таких участках выделяется больше атомов водорода, которые стабилизируют процесс, то есть создают дополнительное экранирование, снижающее скорость осаждения. Наконец, на последнем этапе окончательно формируется сетчатая структура из частиц тефлона, однородно распределённых в слое осаждённого никеля. Кроме того, на поверхности остаётся тонкая плёнка молекул ПАВ, а внутри формирующегося покрытия остаются многочисленные микропоры.
С помощью такого метода можно получать покрытия с очень маленькими частицами тефлона (в диапазоне 1–100 нм). Гидрофобность такой поверхности быстро увеличивается с ростом содержания тефлона — уже при 10–15 вес.% угол смачивания капли воды на таком покрытии достигает 160°. Этот метод был бы удобен для создания электрических батарей, т.к. такие покрытия не только сверхгидрофобны, но и способны катализировать некоторые реакции.
Сейчас продукция на основе нанотехнологий, использующая «эффект лотоса» уже поступила в продажу. Это, в первую очередь, очистительные и полировочные аэрозоли.
Зачем нужны лотосовые покрытия. Лотосовые покрытия были бы незаменимы во многих сферах жизни человека. Создание стекол, с которых бы стекали мельчайшие капельки воды с растворенными частичками грязи. Создание плащей и другой специальной одежды. Создание самоочищающихся фасадов зданий. Это только единичные примеры использования уникального свойства лотоса.
Эффект лотоса – уникальное природное свойство цветка. Оно может быть использовано и в быту, и в промышленности, и, возможно, в медицине. Ученые в который раз пытаются копировать природу и не безуспешно. Возможно, вскоре такие покрытия заменят множество известных и привычных, а, может быть, даже наши зонтики уйдут в прошлое.
Источник: http://www.nanometer.ru/
Автор: Гудилин Евгений Алексеевич
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Эффект лотоса: всегда чистые автомобили и непромокаемые спальники
В 90-х годах прошлого века немецкий ботаник Вильгельм Бартлотт изучал поверхность одного из красивейших растений мира — лотоса. Этот удивительный цветок давно привлекал ученых интересной способностью. Его поверхность, обладая уникальными физико-химическими свойствами, всегда остается сухой и чистой, даже после самого сильного тропического ливня. Вильгельму Бартлотту удалось разгадать секрет его гидрофобного покрытия, который послужил основой для создания многих интересных вещей, в том числе и в области туристического снаряжения.
Вода, попадающая на поверхность листьев и лепестков лотоса, сворачивается в шарообразные капли и стекает вниз. При этом она собирает с поверхности частички пыли, таким образом очищая ее и делая более продуктивным процесс фотосинтеза. Оказалось, что все дело в кутине — воскообразном веществе, состоящем из высших жирных кислот и эфиров. Это вещество располагается на поверхности листьев и цветков в виде своеобразных «шипов», которые и являют собой специфическую наноструктуру. Если говорить кратко, то гидрофобность — это способность материалов не смачиваться с водой.
Обнаруженный немецким ботаником эффект получил название «эффект лотоса», а гидрофобное покрытие, созданное на его основе быстро завоевало популярность. В первую очередь это, конечно же, очистительные и полировочные аэрозоли. Широкому кругу потребителей знакомы аэрозоли для обуви и защитные спреи для автомобилей. Обработанная ими поверхность становится неуязвимой для воды, грязи и жидкости.
Покрытия с эффектом лотоса постепенно проникают в сферу туристического снаряжения. Британская фирма, выпускающая различные товары для путешественников, недавно презентовала свой чудесный непромокаемый спальник. В нем можно спать прямо под открытым небом, любуясь звездами и не боясь покрыться утренней росой или промокнуть под внезапно хлынушим дождем. Он обладает таким гидрофобным покрытием, что в нем можно даже плавать в воде — спальник не намокает и не тонет. На очереди серийный выпуск палаток, тентов и плащей с эффектом лотоса.
Сверхгидрофобные покрытия нашли свое применение и в автомобильной среде. Одним из примеров применения «эффекта лотоса» стала автомобильная краска, способная к самоочищению под воздействием обычной воды, которую выпускает немецкая компания «Дуалес Систем Дойчланд». Для автомобилей также разработаны особые составы, которые распыляются на поверхность и растираются тканью. Они не только удаляют грязь, но и покрывают поверхность слоем самоочищающегося вещества, которое действует в течение многих месяцев.
Эффект лотоса — несомненно одно из самых полезных открытий в сфере нанотехнологий. На очереди создание уникальных грязеотталкивающих стекол для самоочищающихся фасадов зданий, плащи и спецодежда, непромокаемые зонтики и много других полезных вещей.
Эффект лотоса
На фото — капли воды на листе лотоса. Вода не впитывается, потому что поверхность листа ультрагидрофобна — то есть капля имеет минимальное соприкосновение с покрытием. Такие поверхности не впитывают воду, и капли с них можно легко стряхнуть. Эту особенность назвали «эффектом лотоса», хотя ультрагидрофобность, или супергидрофобность (см. Ultrahydrophobicity), характерна и для многих других водных, а также тропических и субтропических растений (например, настурции, опунции, манжетки), крыльев насекомых (см. Крылья цикад покрыты бактерицидной микроскульптурой, «Элементы», 08.04.2013), лапок водомерок, перьев водоплавающих птиц. Поверхность других растений просто гидрофобна (это доказывает, например, наличие росы на траве по утрам). Мелкие капли могут задерживаться и снабжать растение влагой, а крупные скатываются.
Для растений важно, чтобы на лепестках и листьях не оставалась грязь и не размножались грибки и бактерии, которые не только снижают эффективность фотосинтеза, но и выделяют опасные метаболиты и разрушают растительную ткань. С ультрагидрофобной поверхности капли воды скатываются, забирая с собой налипшую грязь, споры и бактерии. Достигается этот эффект довольно просто: если рассмотреть поверхность растения под микроскопом, можно заметить, что она не гладкая, а шероховатая. И, более того, покрыта воскоподобным веществом, которое само по себе является гидрофобным. Расположенные с определенной периодичностью микроскопические бугорки мешают капле смачивать поверхность из-за силы поверхностного натяжения. Поэтому капли держатся на кончиках бугорков и при малейшем дуновении ветра скатываются по листу.
Графическое представление эффекта лотоса. Капли «парят» на поверхности, не растекаясь по ней, и попутно захватывают частички грязи
Бывают ультаргидрофобные поверхности, с которых вода не скатывается, а, наоборот, удерживается. Вспомним лепестки розы: капли на них остаются красивыми сферами, но, в отличие от лотоса, не скатываются, а крепко «держатся» за цветок. Дело в том, что на поверхности лепестков розы форма шипиков другая, более конусообразная, и расположены они немного реже, чем у лотоса. Поэтому вода остается между выступами и удерживается за счет адгезии. Но не вся, а только мелкие капли, освежающие и снабжающие влагой бутон, а большие скатываются из-за своей тяжести. Этот эффект ученые назвали «эффектом лепестка» (petal effect) — по аналогии с эффектом лотоса.
Вверху — поверхности лепестка розы (a) и верхней стороны листа лотоса (b) в сканирующем электронном микроскопе. Бугорки лепестка розы более крупные и пространства между ними больше, поэтому там удерживаются капли воды. Внизу — схематичные изображения покрытия водой лепестков розы (слева) и листа лотоса (справа). Фото a и рисунок из статьи L. Feng et al., 2008. Petal effect: a superhydrophobic state with high adhesive force. Фото b — из статьи H. J. Ensikat et al., 2011. Superhydrophobicity in perfection: the outstanding properties of the lotus leaf
Эта взаимосвязь между уровнем гидрофобности и параметрами шероховатой поверхности математически сформулирована в законе Кассье, который определяет эффективное значение краевого угла смачивания для неоднородной поверхности. Для ультрагидрофобных поверхностей этот угол составляет более 150°.
Слева направо показаны значения краевых углов θ, которые может принимать капля воды, находящаяся на гидрофильной, гидрофобной и ультрагидрофобной поверхности. Рисунок © Юрий Ерин из статьи Наноструктурированные сверхгидрофобные поверхности помогут избежать обледенения, «Элементы», 17.01.2011
Интересно, что даже бактерии, образующие биопленки, используют похожий механизм для предотвращения смывания себя с поверхностей. При выращивании на разных средах биопленка имеет разные уровни гидрофобности: на богатой питательными веществами среде LB (см. рисунок ниже) «поведение» колонии гидрофильное, на LBGM (обогащенная сульфатом марганца и 1% глицерина) — гидрофобное «по типу лотоса», а на MSgg (малопитательная среда со сложной комбинацией многовалентных ионов и аминокислот) — гидрофобное «по типу лепестка розы». Ученые предполагают, что такое различие является адаптацией к различным внешним условиям. С одной стороны, странно, что гидрофобность не наблюдается на всех колониях, так как вода может смыть биопленку и вызвать ее эрозию, но с другой — задерживание влаги на поверхности способствует смачиванию и предотвращает высыхание.
Микроскопические изображения поверхности биоплёнок сенной палочки (Bacillus subtilis) на разных питательных средах, а также в разных частях. Можно заметить, что периферия колонии всегда более гидрофобна (то есть имеет более шероховатую поверхность), чем её центр, вероятно потому, что водной эрозии больше подвержены крайние области. Изображение из статьи M. Werb et al., 2017. Surface topology affects wetting behavior of Bacillus subtilis biofilms
Изучение эффекта лотоса у разных организмов помогает создавать гидрофобные искусственные материалы, которые можно отнести к биомиметикам. Например, крылья бабочки Morpho sulkowsky покрыты чешуйками, которые не только создают эффект лотоса, но и отражают свет так, что мы видим синюю окраску (см. статью Структурный цвет в живой природе). Микроструктура не только спасает от воды, которая мешает полету, но и защищает от насекомоядных (синий цвет служит предупреждением, как и другие яркие цвета).
Ученые, вдохновившись многофункциональностью покровов этой бабочки, создали пленку с высокоупорядоченными лунками из оксида кремния. Шероховатость пленки придала гидрофобность материалу, а от расстояния между отверстиями зависит длина волны отраженного света (и цвет, который мы увидим). Так инженеры смогут не только задавать гидрофобные свойства материалу, но и регулировать его внешний вид. Эффект лотоса вдохновляет и на создание ультрагидрофобных поверхностей для предотвращения оледенения (см. статью Наноструктурированные сверхгидрофобные поверхности помогут избежать оледенения).