荷葉的納米結構與應用研究

【摘要】：本文介紹了荷葉自清潔效應的原理，即荷葉表面的蠟質是產生表面疏水性的根本原因，其超微納米結構放大了其疏水性。結合此疏水原理，闡述了荷葉效應在日常生活及工業生產中的應用，并適當地提出了展望。

【關鍵詞】：納米結構；自清潔；應用

一、引言

眾所周知，荷葉素來纖塵不染，水珠根本無法浸濕其表面，人們將這種現象稱為自清潔效應。研究表明，荷葉的基本化學成分是葉綠素、纖維素、淀粉等多糖類的碳水化合物，有豐富的-OH、-NH等極性基團，在自然環境中應極易吸附水分或污漬。從機械學的光潔度（粗糙度）角度考慮，它的表面光潔度根本達不到機械學意義上的光潔度要求。究竟是什么原因使得荷葉具有自潔功能呢？

二、荷葉效應機理

德國玻恩大學植物學教授W.Bartblott經過長期觀察研究，在上世紀九十年代初終于揭開了荷葉葉面神奇的面紗。原來在荷葉葉面上存在著非常復雜的多重納米和微米級的超微結構。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到，荷葉表面上有許多微小的乳突，乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而每個乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。此時的荷葉葉面上就像布滿了一個個緊挨著的“小山包”，它上面長滿絨毛，在“山包”頂又長出一個饅頭狀的“碉堡”凸頂。因此，在“山包”間的凹陷部份充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄且只有納米級厚的空氣層。這就使得在尺寸上遠大于這種結構的雨水等落在葉面上后，只能同葉面上“山包”的凸頂形成幾個點接觸，可想而知，接觸角的減少使得水珠在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸附灰塵并最終將其帶離葉面。總而言之，荷葉表面同時擁有這種納米尺寸的物理結構與疏水性的化學組成就是“蓮花效應”能自潔葉面的奧妙所在。

研究表明，這種具有自潔效應的表面超微納米結構形貌，不僅存在于荷葉中，也普遍存在于其它動植物中，如甘藍、芋等。其實植物葉面的這種復雜的超微納米結構，不僅有利于自潔，還有利于防止對大量漂浮在大氣中的各種有害的細菌和真菌對植物的侵害。更重要的是，此種超微納米結構可以提高葉面吸收陽光的效率，從而提高葉綠體的光合作用。

三、仿荷葉效應的運用

神奇的荷葉被揭開神奇的面紗之后，人們就探究各種方法將其運用到日常生活與生產工藝之中，并取得了不錯的成績，如：荷葉效應乳膠漆、防荷葉的疏水織物、防荷葉玻璃、拒水拒油紡織新產品等等。以下僅介紹兩種機具代表性的應用實例。

1.超雙疏界面材料

通過研究荷葉效應的拒水自潔原理可知，具有高度拒水自潔的材料必須具備以下兩個條件：第一，纖維表面具有基本的拒水性能（即水在其表面的接觸角大于90°）；第二，具有粗糙的表面，且粗糙要達到納米級的水平。

浙江弘景材料科技股份有限公司在中科院、浙江省納米材料應用工程技術中心、浙江大學等科研院校大力支持下在拒水織物的研究上已取得重要的突破。其利用納米材料比表面積大、多孔結構、表面原子數所占比例大、表面原子的不飽性等理化性能，以及兩個混合相之間產生很大的作用力這一原理，在體材料表面設計、構造荷葉效應，使織物表面張力降低，在織物表面形成納米尺寸效應，即形成穩定的納米級空氣層，使界面形態呈凸凹叢針狀納米結構.猶如荷葉的疏水功能，從而織物具有防水、防油、防污功能，此時，水在仿荷葉狀的界面上呈球狀，稍有外力，即可快速滑動，而不在表面留下任何痕跡，呈現出超強的疏水、疏油功能，使常溫中自然下落的水珠及動植物油不能滲入織物纖維內部。這種功能材料稱為超雙疏界面材料.若是將此自清潔材料市場化，我們的衣服可以大大減少洗滌次數，同時可以減少洗衣液、洗衣粉的使用，為節約資源、保護水環境貢獻一份綿薄之力。另一方面，據專家介紹，對此制備工藝稍加調整，就可制備出兼有驅除蚊蠅、抗菌防霉、超強阻燃、抗靜電及按需調配的多種功能型界面材料，為人們的生活帶來極大的便利，因此應用前景十分廣闊。

2.納米復合外墻涂料

建筑物的形象在一定程度上反映一個城市的文明，因此各地政府紛紛出臺政策，規定商業建筑物、住宅小區以及景觀道路兩側的建筑物的外立面須隔幾年用建筑涂料進行粉飾，以維持其整潔并消除涂鴉與小廣告。其中南京市政府為建筑物外立面專門制定了《南京市城市建筑物外立面保持整潔管理規定》，《規定》提出外立面整潔標準：無明顯污跡，無殘損、脫落，嚴重變色，無亂掛、亂貼、亂涂、亂刻；附屬設施符合城市容貌標準。城市建筑物、構筑物外立面，應當按照下列規定定期清洗保潔，并明確清潔外立面的時間要求：玻璃幕墻，至少每半年清洗一次；裝飾板幕墻，至少每年清洗一次；面磚幕墻，至少每年清洗一次；石料幕墻，至少每3年清洗一次；涂料幕墻，至少每 4年涂裝出新一次。此舉標志著建筑物外立面保潔工作有了第一部法規，這將對相關行業產生重要影響。但是化學清洗劑的會對建筑物有一定的腐蝕，且需配有相關的輔助設備，過程復雜、費用高，同時存在安全風險。因此建筑材料的自清潔引起了人們的思考與重視，近幾年來人們致力于納米符合外墻涂料的研究，以期Sto集團技術人員模仿荷葉的葉面結構，研制出了“荷花王”硅樹脂外墻涂料，仿照荷葉表面具有的微米-納米雙重結構特點，把具有獨特界面效應的納米粒子經表面改性處理得到直徑大約為1 nm的以峰和谷排列的蠟納米結晶，并結合特殊分散手段的生產工藝，從而使漆膜表面具有超強疏水特性，這一點已由知名機構進行了檢測和驗證.在用“荷花王”（Lotusan）涂刷過的墻面上，表面的所有水成為水珠并滾落，在暴雨下表面仍保持干燥.水滴在滾動時將細小的灰塵顆粒收集，以達到與荷葉表面相似的自清潔.臟物隨雨水像珍珠般滴落，外墻保持干燥和美觀.該納米復合外墻涂料抗污、耐水、耐酸雨、防霉等性能更優異，若替代瓷磚應用于潮濕最重、污垢較多的衛生間、廚房、醫院等建筑的內墻之中，則可延長房屋修繕和維護的周期。總之，由于其優異的超疏水性能可使雨水、冰雪在其表面難以附著，在建筑玻璃、高壓電線、擋風玻璃等方面具有廣闊的應用前景。

四、展望

目前為止，人們已經掌握了荷葉效應的機理，并逐漸發明出多功能的新型仿荷葉物品。荷葉效應的研究成果的應用前景遠遠不止這些，若用于現代軍事和戰爭的服裝，除了遮風擋雨，可在惡劣的潮濕環境中，使戰土們保持干爽舒服之外，還可以防止有毒液體的侵入；若應用于醫療領域，可用作保護醫務人員不受血載病菌侵害的醫用屏障織物，阻止某些通過血液、唾液傳播的疾病在世界范圍內的肆虐橫行；若應用于建筑材料領域，可使建筑外圍履行主動、自我調控、自我更新、自我完善的職能，使其由單一功能型、視角效果型向復合型轉變，從而達到縮減城市環衛清潔成本、保持城市美觀的目的等等。總而言之，荷葉效應的應用為我們帶來極大的便利，我堅信隨著科技的發展，會有越來越多的仿荷葉產品涌現，從而更好地改善人們的生活。