莲出淤泥而不染的原因是什么？荷叶效应是啥意思？

发布时间：2022-03-03 14:41:10 文章来源：蝌蚪五线谱

盛夏时节正是荷花开得最美的时候。在红花绿叶的点缀下，夏日仿佛多了一丝凉意。每当提到荷花，总能想起周敦颐在《爱莲说》中写到的予独爱...

盛夏时节正是荷花开得最美的时候。在红花绿叶的点缀下，夏日仿佛多了一丝凉意。每当提到荷花，总能想起周敦颐在《爱莲说》中写到的“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖”。自古以来，“莲”总是被文人墨客赞誉的对象，是“高洁”的象征。可是，莲为什么可以出淤泥而不染呢?这就要讲到莲花的“自清洁”和“不沾湿”特性了。

荷叶效应

如果留心观察莲花的叶子，你就会发现荷叶上总是干干净净的，好似不留一点灰尘。这是因为荷叶表面的特殊结构有自我清洁的功能，即荷叶的“自清洁”特性。此外，我们经常会看到这样的场景：当水滴在荷叶上时，水并没有完全铺展开，而是以水珠的形式停留在荷叶上，而且只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚离叶面。这就是荷叶的“不沾湿”特性。荷叶的“自清洁”和“不沾湿”特性被统称为“荷叶效应”。这一概念最早是由德国波恩大学的植物学家巴特洛特提出的。

荷叶

其实，荷叶的“不沾湿”特性也被称为“超疏水”特性。那么，如何界定“超疏水”这一概念呢?在明确“超疏水”这一概念前，我们要先了解表面化学中的一个概念——接触角。如下图所示，接触角指的是“液-固”界面的水平线与“气-液”界面切线之间通过液体内部的夹角θ。有了这一概念，我们可以很方便地表示液体对固体的润湿情况。

习惯上，当θ<90°时，我们称该液体可以润湿固体，此时，液体完全展开，覆盖固体表面。水可以润湿玻璃，在洁净的玻璃表面甚至可以完全润湿，此时 θ=0。当θ>90°时，该液体不能润湿固体，此时，液体在固体表面缩成球形。水不能润湿石蜡，因此表现出“圆球状”。当与水的接触角θ> 150°时，该固体表面具有“超疏水”特性。通俗地讲，我们可以认为这种固体表面有很强的排斥水的能力。除荷叶表面外，芋头叶、芭蕉叶、海豚和鲨鱼的表面也都呈现出“超疏水”特性。

芭蕉叶

荷叶的微观结构

大量的科学研究表明，结构往往决定性质。那么，你肯定会问：“荷叶的特性是否与它的结构有关呢?”答案是肯定的。电子显微镜的发展给我们的科学研究带来了更多的可能，也使得我们能够观察到荷叶的微观结构。通过电子显微镜的成像结果，我们可以清晰地看到荷叶表面有许多突起的“小山包”(这类结构被称为“乳突”)。这些乳突的尺寸通常在10微米左右，这些乳突的平均间距在12微米左右。而这些乳突是由许多直径在100纳米左右的纳米蜡质晶体组成。由此可见，荷叶表面存在复杂的“微米-纳米”双重结构，正是这些结构使得荷叶产生了“超疏水”和 “自清洁”的双重特性。

荷叶表面的蜡质是产生疏水性的根本原因，因为蜡质晶体本身的化学结构具有疏水性，所以当水与这类表面接触时，会形成“球状”水滴，于是，荷叶表面便有了“超疏水”特性。荷叶表面所形成的乳突非常多，而且间隔很小，于是在乳突间会存在许多凹陷部分。这些凹陷部分充满空气，这样就在贴紧叶面的地方形成了一层非常薄的纳米级空气层。而那些落在叶面上的灰尘、水滴的尺寸远远大于这个空气层。所以当这些物质落在叶面上时，它们只能同叶面上“小山包”的顶端形成几个点的接触，而不能润湿到荷叶表面上。水滴在自身表面张力的作用下形成“球状”，并且在滚动中吸附灰尘等杂质，最终滚出叶面，这就是荷叶具有“自清洁”特性的原因。

由荷叶到仿生科技

自然界的生物都经历了漫长的演化过程，在物竞天择下，生物自身的结构和功能都经过了长期的筛选、发展和优化，具有极高的效能。聪明的人类当然不会放过向大自然“学习”的机会，“仿生科技”应运而生。仿生学是研究和模仿自然界中生物体的结构、功能和生活方式的一门系统科学。它将生物的结构、功能和行为应用于现代工程系统和技术设计中，解决人类所遇到的科学技术问题。仿生不是对自然模型的简单复制，而是对大自然中生物的理解、升华和具有创新价值的“重塑”。

那么，把荷叶的结构应用于仿生科技中会怎样呢?设想一下，如果我们可以拥有一件具有荷叶效应的衣服，那么懒人的福利是不是就有了呢?(妈妈再也不用担心我把衣服弄脏了)再者，如果在汽车表面涂覆上一层类似荷叶的涂层，那么洗车店老板是不是从此要无限期歇业了?这些想法看似无厘头，但是已经得到了技术支持。据英国《每日邮报》报道，澳大利亚墨尔本服装技术品牌公司 Threadsmiths发明了一种名为The Cavalier的特殊T恤。

与传统T恤相同，它们都是百分之百棉质的，其特殊之处在于能够有效防止大部分液体和污渍的侵入。往这些衣服上泼水，它们仍然会保持干爽。往上面泼可乐或者其他饮料，带有颜色的液体会形成珠子从上面滚落下来。即便用高压水枪喷射它们，衣服依然保持干爽。不了解荷叶效应的人或许觉得这是在变魔术，而看过前文后就能知道其中的奥秘。 Threadsmiths官方网站上也发表声明说“他们的灵感来自荷叶”。

日前，美国Ultra-Ever Dry携手日本尼桑率先把自清洁技术应用到了汽车上。Ultra-Ever Dry是一种纳米级物料，拥有超强的疏水性能和自清洁性能，而且可以作为功能性涂层，覆盖在我们所要求的材料上。日本尼桑公司将这种材料涂覆在汽车表面，成功打造出了第一款具有自清洁功能的汽车。为了对比自清洁效果，尼桑在旗下一款MVP车型Note上作了一个简单的测试：一半车身喷洒了Ultra- Ever Dry材料，另一半保持原样，然后在泥泞的道路上进行测试。在测试中可以看到，泥污落在涂覆有纳米材料的车身上后会变成一颗颗泥水珠，径直滑下。

最终结果显示，未改动的车身布满泥污，涂覆有纳米材料的车身仍然洁净如初。Ultra-Ever Dry材料之所以具有超强的疏水性能和自清洁性能，是因为它模拟了荷叶表面结构。这种材料涂覆在汽车表面后可建立一个细微的空气层，这与荷叶表面乳突间凹陷的空气层类似，使得泥污无法接触其表面。简言之，这个空气层就是一个疏水性纳米级绒毛层，这与荷叶上的蜡质乳突作用相同，使得水珠等杂质无法与物体表面接触。由于自身表面张力的作用，落在上面的水滴呈现“球状”，并且在滚动过程中吸附杂质，最终脱离表面，实现了自清洁功能。

车窗左边未使用疏水镀膜，右边使用疏水镀膜

关于荷叶效应的应用还有很多，前文提到的仿生科技只是冰山一角，笔者只是选取了一些与生活相关且最近发布的应用与大家分享。此外，荷叶效应在化工行业、建筑涂料、厨房用具等领域的应用还有很多。有理由相信，随着科技的进步，荷叶效应的应用范围还会更广。

标签：出淤泥而不染荷叶效应微观结构仿生科技

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