蓮花效應

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水在蓮葉表面的樣子
蓮葉的表面

蓮花效應(lotus effect)是指蓮葉表面具有超疏水性以及自潔(self-cleaning)的特性。在東方文化裡,蓮花是純淨的象徵。雖然,蓮花喜歡生長在泥濘的溼地,但其葉子和花仍保持乾淨,這就是自潔的效果。植物學家研究蓮葉表面發現它們有一個自然潔淨的機制。

蓮葉的微觀結構和表面化學意味著不會被水弄濕;水滴在葉片表面就如水銀一般,並且可以帶走污泥、小昆蟲及污染物。而且,水滴在芋頭葉子亦有相似的行為。

一些奈米科技學家正在開發一些方法,使塗料、屋瓦、紡織品和其它表面可保持乾燥和乾淨,就如蓮葉表面的方式相似。通常使用氟化物處理表面而達到此效果;利用葡萄糖蔗糖化合成聚乙二醇亦可達到此效果。有自潔效應的新塗料,目前已被發展,甚至有自潔功能的玻璃板也已經進入市場,使用於溫室的屋頂等。

表面有疏水性質的方法是將鋁浸在氫氧化鈉幾個小時之後,再利用旋轉塗覆的方法,塗上一層厚度為2奈米的全氟壬烷(perfluorononane)。這樣將使接觸角從67°變成168°,此現象可用Cassie's law解釋。電子顯微鏡可顯示鋁的表面像蓮葉表面一樣有多孔微小的結構。

楊格方程式(Young–Laplace equation)[編輯]

當液體潤濕固體表面時,原本氣─固的界面被液─固的界面所取代,而氣─固與液─固之界面張力的差, 稱之為「濕潤張力」。當氣─固的界面張力大於液─固的界面張力時,也就是固體和液體間的吸引力大於固體和氣體間的吸引力時,固體和氣體間的界面張力會將液─固界面拉伸。換句話說,被濕潤的固體表面有較低的界面張力,因此液體會在固體表面擴張。當液體滴在固體表面上時,固體表面和液滴切線的夾角,就是所謂的接觸角。而濕潤張力和接觸角的關係,可以用楊-拉普拉斯公式

氣─固界面張力 - 液─固界面張力的 =氣─液界面張力×接觸角的餘弦函數。

\gamma_\mathrm{SV} - \gamma_\mathrm{SL} = \gamma_\mathrm{VL}\cos \theta \,

由於水滴在蓮葉表面的接觸角很大,代表蓮葉與空氣間的界面張力很低,水滴不易濕潤其表面。