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瞭解原理

宋周敦頤在〈愛蓮說〉中寫著:「水陸草木之花,可愛者甚蕃。……吾獨愛蓮之出汙泥而不染,濯清漣而不妖,中通外直,不蔓不枝……」。由於蓮葉表面總是能保持潔淨不染,因此自古以來,蓮花被中國文人形容為花中君子;在佛教中又常以蓮葉圖案做為聖潔象徵。而蓮葉是怎麼做到「出淤泥而不染」的呢?

蓮葉上的水珠會將灰塵帶走
蓮葉上的水珠會將灰塵帶走。


日常生活常見的鵝絨、汽車塗蠟、鐵氟龍鍋等具有疏水特性,這些疏水物質具有一定的疏水程度(接觸角接近100度),但卻與蓮葉『出淤泥而不染』的物理機制不同。蓮葉表面,在高解析穿透電子顯微鏡觀察下,可以觀察到蓮葉表面有著大小約5~15微米的乳突狀結構,其上覆有奈米級類似纖毛結構,此奈米級表面結構係為造成蓮葉表面具疏水特性的原因。

奈米表面結構造成疏水性質與油或蠟物質等具疏水性的機制不同,前者係物理性表面結構效應而造成葉面超低表面能特性,使水珠不易附著葉面,而具超疏水特性(接觸角接近160度),灰塵於葉面不易附著,當雨水沖洗時,易隨水珠滾落而達到淨潔作用。蓮葉表面的這種自我淨潔(self-cleaning)現象,由於係從蓮葉所發現,因此又叫做「蓮葉效應」(Lotus effect)。

蓮葉效應的原理


1997年,德國波昂大學的植物學家巴斯洛得(Bartholtt)教授進行了一系列的實驗,發現蓮葉物理結構、化學組成與表現出疏水、自潔性間的關係,因此創造了「蓮葉效應」(Lotus effect)一詞。以下就蓮葉的疏水性與自潔性分別討論。


疏水性:


物質的疏水性主要由表面張力(或表面能)決定,楊格提出的方程式(Young’s equation),固-氣體表面張力越低,與水接觸角越高。而蓮葉表面的化學組成-蠟。水在一般石蠟上的接觸角約110度,但是,我們由接觸角的實驗結果發現,水在蓮葉上的接觸角高達160度的超高疏水性。這是因為蓮葉,除了含有化學的疏水組成-蠟外,在物理結構上含有尺寸大約5~15微米細微突起與100 ~ 200奈米纖毛結構,這些細微的結構使蓮葉表面變得粗糙。粗糙的結構讓接觸角上升原因有兩個,第一是由於起伏的結構中會包含了空氣成分,可以貢獻部份低表面張力與高接觸角功能。第二是粗糙結構增加了整個水與蓮葉接觸面積,因此表面張力變低,讓水在蓮葉上的接觸角變成約160度,這麼大的接觸角,可以讓雨水輕易的滾動。


自潔性:


自潔性主要構成因素是超低表面能特性,所謂表面能即是蓮葉表面與外在物質如空氣、水、髒污等之間吸引力,表面能越低吸引能量小,外在的物質就好像輕輕的附在蓮葉上,很容易被移除,反之越高就越像膠水黏在一起,不容易去除,再加上蓮葉的超疏水特性,水珠容易在蓮葉上滾動,輕易的將輕輕附在蓮葉上的灰塵及污泥一起帶走,不需要人工清洗,就可達到表面淨潔,這就是蓮葉的自潔性。

具有奈米結構的表面
自潔效應-右圖為疏水性且具有奈米結構的表面,水珠滾動時可將灰塵帶走;左圖為無奈米結構的表面,水珠滾動時無法將灰塵帶走。


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