文档介绍：《河北纺织》2007 年第三期(总 130 期) 专题研究
荷叶效应及应用
金俊王建坤
(天津天津工业大学纺织学院 300160)
[摘要]:本文主要论述了荷叶效应的原理及其在各方面的应用
[关键词]:荷叶效应拒水性自洁性纳米
在日常生活中,当雨停了的時候,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。科学家们在对植物天然表面的研究中发现,有些叶子和
花的表面(动物表面也有类似现象),可以仅通过水而使其表面彻底清洗,例如通
过以雨水的形式。这种能力通常称作自洁效应,因为它不用添加任何洗涤剂或者额
外的机械作用。在植物中最有名、可能也是最理想的代表就是荷叶。即使是从淤泥
水中出来,荷叶表面也是非常干净的。
1. 荷叶效应机理
荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物,有丰富
的羟基 OH- 、氨基 NH-等极性基团,在自然环境中应该很容易吸附水分或污渍。但
荷叶叶面却呈现具有极强的拒水性,洒在叶面上的水会自动聚集成水珠,水珠的滚
动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面,使叶面始终保持干净,这就是著名的"
荷叶自洁效应"。
荷叶微观结构
经过德国波恩大学的两位生物科学家的长期观察研究,终于揭开了荷叶叶面的
奥妙。通过扫描电子显微镜图像,可以清晰地看到,在荷叶叶面上存在着非常复杂
的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”
(每两个小山包之间的距离约为 20-40µm)在山包上面长满了绒毛,在山包顶又长
出了一个个馒头状的“碉堡”凸顶。整个表面被微小的蜡晶所覆盖(大约 200nm-
2µm)。因此,在“山包”间的凹陷部份充满着空气,这样就在紧贴叶面上形成一层
极薄、只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等
降落在叶面上后,隔着一层极薄的空气,只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点
接触,由于空气层、“山包”状突起和蜡质层的共同托持作用,使得水滴不能渗透,
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而能自由滚动。雨点在自身的表面张力作用下形成球状,水球在滚动中吸附灰尘,
并滚出叶面,这就是"荷叶效应"能自洁叶面的奧妙所在。
(a) (b)
图1 荷叶表面的电镜扫描图(来源:Dr. W. Barthlott, Bonn)
图2 不同结构表面及亲疏水性
材料表面润湿原理
当雨滴接触荷叶表面时,荷叶表面和雨滴同时被周围的空气所包围。这样就有
三种物质互相接触,固体,液体和气体。这三种物质的边界作用决定了水滴的形状
和液体如何在固体表面散开,也就是如何润湿固体底面。对亲水性的粗糙表面,越
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粗糙越易被润湿,对疏水性表面,越粗糙越不易被润湿。粗糙的疏水表面使水不能
进入叶子内部,仅在叶面形成水珠,水和叶子表面间的接触面积只有2%-3%,从而降
低两者间的摩擦力,使水滴极易从叶面滚落而不沾污叶面,表现出良好自洁性。当
液面沾有尘埃等固