对荷花效应的解释

【专家解说】：荷花的花瓣表面像毛玻璃一样毛糙，净是20微米大小的“疙瘩”使荷花出淤泥而不染的现象吧 荷花效应概述 荷花何以出淤泥而不染？是因为它的表面十分光滑，污垢难以停留？不是。科学家用扫描电子显微镜观察，发现荷花的花瓣表面像毛玻璃一样毛糙，净是20微米大小的“疙瘩”。这一被称为“荷花效应”的发现给人意外的启示。它启发人们去研制涂料和油漆，使墙面像荷花一样不受污染，永葆鲜艳色彩。 荷花效应也叫作自清洁效应，可以应用到很多地方。最主要的就是一个是应用在织物上面，比如说防水，防油的领带，还有鄂尔多斯防水防油的羊绒衫。还有一个就是自清洁的玻璃。如果我们将这种原理，运用到汽车的烤漆、建筑物的外墙、或是玻璃上，不但随时可以保持物体表面的清洁，也减少了洗涤剂对环境的污染，可以说既安全又省力。 荷花效应原理 上个世纪七十年代，德国植物学分类的科学家——威廉·巴特洛特，他和同事在试验中，偶然发现了一个有反常规的现象。 按惯例，实验用的植物都要被清洗干净的，可是他们注意到：通常只有那些表面光滑的叶子才需要清洗，而看起来粗糙的叶子，往往很干净。尤其是荷叶，它的表面不但不带灰尘，而且连水都不粘。 荷花的生长少不了淤泥的，因为它提供了非常丰富的腐殖质，供荷花的生长所需。可是破水而出的荷叶上，不但淤泥、灰尘不粘，就连水滴也很难在上面安安稳稳地呆上一会儿，仿佛自己就能把叶片打扫得干干净净的。 自古就有这么一说，就是因为当水珠落在荷叶上的时候，它由于表面那个，就是表面张力的作用，那么水珠会变成，就是球状，或者是近似球状的，然后呢，它会滚离荷叶表面，然后就是带走荷叶上面的一些污浊的物质。 其实这出淤泥而不染，主要说的就是荷叶。 那么为什么它会有自清洁的特性呢？最开始人们认为是荷叶上那层白色的蜡质结晶决定的。 它表面就是有一层蜡质的物质，咱们用眼睛就可以直接看到，而用手也能感受到。您可以用手摸一下，它有一种粗糙的感觉。 荷叶表皮细胞分泌的蜡质结晶，在电子显微镜下，呈现出线状或是毛发状的结构，并且在叶片的正面和背面都有分布。但是水在叶片背面无法形成球状自如的滚动，反而还会滞留在中心。 那么再跟其它植物的叶片做个比较。远了不提，就拿跟荷花同一科的睡莲来说，它的叶子正面也有蜡，可是水滴上去，很快就铺平、蔓延开了，更达不到水珠在荷叶上大珠小珠落玉盘的效果。所以除了蜡质结晶之外，一定还另有门道。 如果用电子显微镜观察的话，就会发现它（叶）表面有一些这种微小的这种突起，这种微小的突起是这种微米级的微小的突起，然后这种微小的微米级的突起上面，又形成一种纳米级的突起。 我们触摸荷叶时粗糙的感觉，实际上就是由这些微小的突起产生的，它们平均大小约为10微米。而那些更小的突起，直径只有200个纳米左右。 要知道微米只有毫米的千分之一，而纳米更是小到一定程度了，它只有微米的千分之一。到底有多大？我给您打个比方，假设一根头发的直径是0.05毫米的话，嚓、嚓、嚓、嚓，把它纵向剖成5万根，那每根的厚度大约就是1个纳米，够小的吧。 没想到吧，在荷叶粗糙的表面上，竟然有着这么精细的微米加纳米的双重结构。 第一个结构就是它的那个微米级的乳凸，大概可能是10微米，到12微米，这么一个大小，然后深度可能是12到15微米之间，这种乳凸，然后乳凸上面有一个那个，就是表皮分泌的蜡质结晶，那个在电子显微镜的观察下，可以看出来它是那种毛发或者是线状的结构。 也就是说，在那些“微米尺度”的小山上又叠加了许多“纳米”小山。这样一来荷叶的表面，就布满了“山头”，“山”与“山”之间的空隙非常窄，再小的水滴也只能在 “山头”上跑来跑去。而水滴在滚动的时候，也就带走了叶子上的尘土和细菌。 那么是不是有了这样的结构，就能保证荷叶不沾水了呢？ 科学家很快又发现，如果我们把荷叶放到水里浸泡一段时间，荷叶表面会从疏水变得亲水，这又是为什么呢？ 德国有一个科学家做过这个实验，把荷叶放到水里10米以下再拿出来的时候，再测它就变成亲水了，因为它就是诱捕在乳凸和纳米结晶之间那个空气被排除了，是那个水分子一点一点的进去，进到那个空气的膜里，把空气排出以后，它这个就变成了亲水了。 原来，那些个头远远超过 “小山”的水珠和尘埃，之所以能在“山头”上跑来跑去，不单是因为山之间的缝隙太小，最关键的是因为山和山之间都被空气填地严严实实，形成了一个类似气垫的东西，把水滴给隔开了。如果气垫没有了荷叶也会变得亲水。 浸在水中的荷叶，由于压力的作用，把这层空气从小山中间挤了出去，因此就出现了科学家所看到的现象。 自从发现了荷叶不粘水的自清洁特点之后，人们就把这种现象称为荷花效应。但其实，在自然界有很多生物都表现出类似的特点。 水稻的叶子也是不粘水的，与荷叶的不同在于，荷叶上的水滴，可以在平面内向各个方向运动。而水稻叶片上的水滴通常是沿着叶脉的方向滚落，垂直叶脉的时候，相对就有些困难。但是这都与它们各自叶片的形状相适应。 不光是植物，动物也有。比如说，水黾它在水上行走时就是，水黾腿在水上直立行走，其实也是因为水黾腿它是一个超疏水的，所以因为它表面张力的作用会把水排开，然后支撑它的身体，然后让它跳跃，蚊子也是。 尽管如此，人们始终认为荷叶的表面结构，所体现的自清洁特性最为完美，一直希望能模仿它，从而制造出各种各样的疏水材料。 这事儿看起来很简单，做起来难。您想，那么精细的形态，都是我们通过电子显微镜才看清楚的，想凭这样两只手去复制类似结构，几乎不可能，因此，这里头有着非常高的技术含量。不过在科学家的帮助下，我们的梦想正在慢慢照进现实。 荷花效应前景 威廉·巴特洛特是德国波国大学植物研究所的所长，他领导进行的一项研究表明，莲花的洁净中隐藏着一个秘密：当雨停了的时候，某些植物显得很湿润，而另一些植物则立刻就干了，而且显得很干净。由此发明了一项新技术，生产出表面完全防水并且具备自洁功能的材料。这是一项用途广泛的新技术，它使人们不再为建筑物及表面的清洁问题发愁，也不必再为汽车、飞机和各种运输工具的清洁问题大伤脑筋。它不仅省去了周末例行的擦洗汽车的工作，使人们大大节省了体力，同时因为减少了使用有毒清洁剂，用于环保方面的支出也相应减少。 通过电子显微镜对1万多种植物的表面结构进行了研究，最终揭示表面光滑的叶子都需要经过清洗才能置于显微镜下观察，而表面覆盖着一层极薄蜡晶体的叶子（这正是防水叶面的特点）却干干净净。 事实上，在拥有“蜡盾”的叶面上，污物的粒子只是勉强立足，难以扎根，少量水就可以将其冲走。植物学家们组织了一场各类植物的抗污比赛：将防水性最佳的植物（从340种植物中选出）置于含有大量石英粉尘、二氧化硫和复印机墨粉的污染物中，然后，再将这些植物置于雨水 中，或用人工喷雾，以检验在直径为0.5毫米的水滴中其自洁机能的效果。在高倍电子显微镜的帮助下，研究人员进行了一系列试验后，取得了综合数据。他们特别测量了水滴和叶面之间的接触的角度：该角度越大，清洁所需的水量就越少。莲花叶面与水滴的接触角度平均为160度，最接近180度的极限值。 结论是微小的蜡晶体使植物叶面变得粗糙，这是植物具有抗污机理的关键所在。 1999年3月，第一种产品问世。在不久的将来，太阳能板、道路交通标识牌、花园中的座椅和苫布等覆盖材料都只需用少量的水就可冲洗干净。这还仅仅是一个开始，几年之后，“莲花效应”可能直接应用于任何露天建筑物或交通工具的油漆、涂料和表面材料上。 荷花效应应用 ①仿荷叶结构的防水纳米布 中国是在世界上第一个做出纳米布的国家，是中科院化学所做出来的； 丙纶织物，用颗粒大小为20纳米左右的聚丙烯水分散液，浸轧，光照。使颗粒粘结在纤维表面上，形成凸凹不平的表面结构，成为双疏材料，即疏水又疏油。用油或水往这种布上倒，都不会浸湿，也不会玷污。 其实，荷叶天然地就具有这样的性质。水滴从来都浸不湿荷叶，就是因为荷叶上长着据说是700个纳米尺度的一些绒毛，绒毛非常密，我们肉眼看很难分辨出来。但是用手摸能感觉到一种绒绒的东西。这个东西就让荷叶失去了水对它的浸润性。 具有这样特点的这种布就带有了自洁性。如果我们用这种材料做成衣服，就会防水。如果用这种材料处理玻璃，做成表面凸凹不平的结构，看起来没有任何问题，但不会结雾，不会沾水。 ②关于纳米防水拒油领带 为什么荷叶具有如此良好的疏水性？国外科学家曾提出，荷叶的疏水性在于其微米结构，而中科院化学所的研究员万立骏等人在研究中进一步发现，荷叶的疏水性源于其纳米结构。他们将这一成果与浙江某企业合作，研制出“防水”领带，并被江泽民主席作为礼物送给布什总统。 ③气浮防水材料的自性洁 作为超分子研究成果应用的一个重要例子，德国波恩大学Barthlott教授从荷叶的自清洁效应得到启发，研制成功了易于清洁建筑物及交通工具表面的涂料。水珠从荷叶上滚落，可以清除其上吸附的灰尘颗粒，这便是荷叶的自“清洁效应”，Barthlott教授最早认识到这一点并将其应用到生活中的清洁处理。荷叶效应作为一个很好的模型，可以用于诸多的领域的研究，如基于荷叶效应生产的涂料可方便房屋或建筑物表面的清洁。荷叶效应可以大大降低人们对于清洁剂的使用，有益于环境保护。 ④荷叶的表面组织形态； 德国波恩大学的Barthlott博士多年从事荷叶效应的生物研究，取得了卓著的成绩，曾于1998年荣获德国总统未来奖提名。德国ispo公司与Barthlott博士合作，将荷叶的微观结构“克隆”到ispo公司生产的有机硅涂料--露珠仙中，成功地将荷叶效应应用于涂料之中。在放大7000倍的显微镜下可以看到，荷叶使水和尘埃在其表面的接触面积减少了90％多，水被排除得几乎毫无残留，并带走了每一颗附在水中的尘埃颗粒。 ⑤荷叶与疏水涂料的试验 科学发明者想到的是荷叶为什么有着超强的疏水性？如果应用在生活用品上，就像“荷叶面”雨伞，撑雨疏水，抖水即干，不必担心带到室内会滴水了。土耳其科贾埃利大学的研究人员对荷叶的表面是不是非常光滑展开了研究。在显微镜下，研究人员看到荷叶是一种类似于海绵或是鸟巢的孔状组织，空气填充在列隙中，从而防止水吸附于叶面。研究人员测定了水在人的皮肤、水鸟羽毛上的接触角，皮肤为90度，水鸟羽毛和荷叶与水珠的接触角分别为150度和170度，后来，研究人员在溶剂中溶解聚丙烯，获得了这种应用塑料的普通液体，再加入一种凝结剂制成涂料，把它涂在玻璃片上，在一个真空烤箱中使溶剂蒸发，得到一种多孔的凝胶层。当研究人员在凝胶层上滴下水珠后，发现它的疏水能力可以与荷叶媲美，并且与水珠的接触角度达到了160度。 由此，研究人员认为，生产超强疏水性涂料时，再也无需昂贵的材料和耗时的过程了，更不需要加入什么纳米材料，因为“荷叶的疏水效应”给人提供了一个简单的方法，可以用来解决制造超强疏水性涂料的技术难题，所以，生产超强疏水性涂料的成本也有望大大地降低了。 ⑥用立构等规聚丙烯研制成新型防水涂料 据海外媒体报道，土耳其Kocaeli大学的研究人员最近开发成功一种利用立构等规聚丙烯（iPP）生产超级憎水性防水涂料的简单易行方法。这种方法是使用溶剂处理方法形成一种类似溶胶的iPP涂层，其表面结构像荷叶那样具有防水性。据研究人员称，该涂料可广泛用于玻璃、金属、纺织品及其他结构表面。 据报道，研究人员把iPP溶解于对二甲苯中，并加入环己酮、异丙醇或甲乙酮助溶剂（Nonsolvent）制成溶胶，把溶胶涂刷至结构表面，溶剂挥发后即形成涂层。 ⑦纳米孔的气浮功能 在荷叶的扫描电镜的照片上，表面结构清晰可见，那些凹凸不平的纳米结构正是科研人员寻找的答案。经过凹凸纳米结构处理过的织物，开始表现疏水、疏油的特性。实际上在这种荷叶上的许许多多纳米孔，在水滴或油滴乃至液体滴在这个介面的时候，会形成一层气膜，使水或油都不能侵入这个表现，因此产生了一个奇妙的疏水疏油的效果。 荷花效应乳胶漆 房屋所有者和房屋建造者都希望外墙面保持干燥清洁。但由于我国环境条件还不尽人意，外墙面往往会受到污染，有的甚至受到严重污染。因此，人们一直在探求能保持外墙面干燥清洁的建筑涂料。荷叶效应乳胶漆就是能保持外墙面干燥清洁的一种建筑涂料，它是仿生学在建筑涂料中应用的一个例子。一.荷叶效应乳胶漆的开发很久很久以来，优化的自洁功能已在自然界存在，荷花叶子就是其中的代表。荷叶表面具有很好的憎水性，并实际上是不能湿润的，它还出污泥而一尘不染。这是为了适应环境而长期演变的结果。德国玻恩大学植物学教授W.Bartblott研究了荷花叶子的结构和荷叶效应机理。经研究发现，荷花叶子之所以具有以上性能，是因为叶子表面既憎水，又有一个显微结构。德国Sto上市公司下属ISPO公司，根据荷叶效应机理和硅树脂外墙涂料的实际应用结果，经过三年研究工作，成功地把荷叶效应移植到外墙乳胶漆中，开发了微结构有机硅乳胶漆，即荷叶效应乳胶漆[1]。这种荷叶效应乳胶漆采用具有持久憎水性的少乳化剂有机硅乳液等一些专门物质，并形成一个纳米级显微结构，从而使其涂膜具有类似荷花叶子的表面结构，达到拒水保洁功能。荷叶和荷叶效应乳胶漆的结构比较如图1所示。可以看出，二者的结构非常相似。 荷叶效应机理 市场上的荷叶效应涂料或乳液，绝大多数是通过降低表面张力来实现的。这种通过降低表面张力，其提高与水的接触角有限，约能提高至1200左右，如市场上的硅树脂涂料与水的初始接触角约为930-1150；它们与灰尘的接触面积基本没变，因此，荷叶效应的结果是有限的，很难达到既保持涂膜干燥，又具有自洁功能。与水的接触角至少要达到1300，这时表面具有显著的憎水性，成珠滚落的雨水才具有自洁功能[2]。材料的性能是由其组成和结构决定的。把降低表面张力和形成显微结构结合起来，才能取得很好的荷叶效应结果。根据表面物理化学中表面平整度对接触角的影响规律可知，当接触角小于900时，表面粗糙度大些能使接触角进一步减小；而当接触角大于900时，粗糙表面能使接触角进一步提高。荷叶效应乳胶漆涂膜与水的接触角大于900，所以粗糙的显微结构可提高接触角，约能提高至1400。另一方面，一个显微粗糙表面，还可以使灰尘与涂膜的接触面积降至原来的百分之一以下，从而使灰尘与水的粘附力大于灰尘与涂膜的附着力。因此，下雨时，雨水在墙面上成珠滚落，同时把灰尘带走，使墙面保持干燥和清洁，如图2所示。这就是乳胶漆的荷叶效应机理。 移动水的自洁作用 德国玻恩大学开发出一个快速测定移动水清洁作用的试验方法，称为集灰试验。即在涂膜试板上，撒一些炭黑或粉煤灰，接着滴几滴水，使试板稍微倾斜晃动，从而水就在试板上来回移动。对于普通的涂膜，包括硅树脂涂膜，随着水的移动，在涂膜上留下含灰的水迹。对于荷叶效应乳胶漆涂膜，水成为一个大珠点，炭黑或粉煤灰集聚在大水珠的外围，而涂膜仍保持干净清洁。 荷叶效应乳胶漆的耐沾污性 测试涂料耐沾污性较可靠的方法是将试板900放置的自然曝晒法。 荷叶效应乳胶漆具有很好的耐沾污性。 除了荷叶效应乳胶漆外，乳胶硅酸盐复合涂料具有很好的耐沾污性。经观察，其耐沾污性好是通过较大的表面粉化而达到的。而荷叶效应乳胶漆是由于自洁功能使其具有很好的耐沾污性。 实际工程的效果也证明了这一点。如厦门的一个荷叶效应乳胶漆涂刷的工程，三年多了，还仍然如新。 此外，荷叶效应乳胶漆具有很好的拒水透气性和耐久性等。但在某些地区，还要注意所谓的雨筋问题。 总之，这是人们首次把自然界的荷叶效应应用于涂料产品。荷叶效应乳胶漆把硅树脂涂料的优点和上万年来自然界演变结果结合起来，进一步发展了现有的外墙涂料，尤其是硅树脂涂料，从而使外墙保持干燥、清洁、耐久成为可能。 荷花的其它神奇现象 荷花能自身加热，即使外界温度降到10℃，它也能保持花朵内35℃的温度，一株盛开的荷花可提供1瓦的功率。这一能量来自荷花细胞内能发热的线粒体——细胞的“动力机构”。荷花的自身加热有利于花粉传播。荷花有一种潜藏于莲子的旺盛的生命力。科学家用一颗1288年以前的古老莲子培育出新的健康荷株。沉睡了近千年的莲子竟然在4天后长出嫩绿的新芽。科学家从千年古莲中离析出一种酶，发现是这种酶在修理细胞本身的蛋白质损坏造成的缺陷。倘若能从莲子中分离出负责修理“衰老损坏”的基因，不也可以把这种基因移植到其他植物乃至人身上，让人类的不老梦想成真吗？ 荷花是水生植物，性喜相对稳定的平静浅水，湖沼、泽地、池塘是其适生地。荷花的需水量由其品种而定，大株形品种如古代莲、红千叶相对水位深一些，但不能超过1.7米．中小株形只适于20～60厘米的水深。同时荷花对失水十分敏感，夏季只要3小时不灌水，缸栽荷叶便萎靡，若停水一日，则荷叶边焦，花蕾回枯．荷花还非常喜光，生育期需要全光照的环境。荷花极不耐荫，在半荫处生长就会表现出强烈的趋光性． 都说荷花”出淤泥而不染”，这是人们对荷花人格化品德的赞扬。实际上，荷花的地下茎在淤泥中生长，哪有不被有毒物质侵染的呢？只因藕的特别细密的表皮组织和含有丹宁的下皮，具有一定的阻挡或吸收有毒物质的能力，因而有毒物质多黏附在表皮上或渗入表皮中，人的肉眼看不见罢了。故此要记住在食用藕时削去外皮，不要把有毒物质也吃进肚中。 自古以来，荷花就因其在观赏、食用、药用及其他用途而得到人们的喜爱。风景名胜之处荷花的观赏功能自不必说，它的食用功效也更是早为人知。早在五千年前，先人就已经采摘莲实为粮了。先今人们则把藕、莲子和花做成了菜肴，走进了国际市场。此外荷花的茎、叶、花、实都是中药用材，有些部分还是某些疾病的特效药呢。 荷花对生长环境有着极强的适应能力，不仅能在大小湖泊、池塘中吐红摇翠，甚至在很小的盆碗中亦能风姿绰约，装点人间。在我国荷文化史上，盆荷这种形式出现之初只是被用于私家庭院观赏。如今，在我国各地园林中，盆荷的应用非常广泛。盆栽和池栽相结合的布置手法，提高了盆荷的观赏价值，在园林水景和园林小品中经常出现。荷花水石盆景是今几年在杭州出现的一种新的盆景。它是荷花盆栽与水石盆景的有机结合，既体现山石的刚毅挺拔，又显示荷花的娇艳妩媚。荷花盆景可选用珊瑚石、砂积石、斧劈石、英石等山石作材料