荷叶效应原理介绍与应用

仿生荷叶材料

1120125123 谢先格

20世纪70年代，波恩大学的植物学家巴特洛特在研究植物叶子表面时发现，光滑的叶子表面有灰尘，要先清洗才能在显微镜下观察，而莲叶等可以防水的叶子表面却总是干干净净。他们发现，莲叶表面的特殊结构有自我清洁功能。莲花出污泥而不染，自古以来就被人们认为是纯洁的象征，所以这一自我清洁功能又被称为“荷叶效应”。

一、 基本概念及原理

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" 。

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，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" 的奧妙所在。

二、 应用领域

模仿莲叶自洁的功能，可以应用于表面纳米结构的技术，可开发出自洁、抗污的纳米涂料。有些纳米涂料里渗有二氧化钛的物质。将二氧化钛等纳米微粒加到衣服的纤维里头可使普通的衣服化身为可防震、除臭、杀菌，最重要的是自洁。海岛型气候的地区由于气候湿热，更需要这种东西。

在自然界这个小小的圈子里，藏着大大的惊奇。有许多事情要试着去接近、感受它，才能得到更多的知识。我们先了解到自然界中许多的生物在人类的科技进步之前早就有了微观的构造，从公分、公厘、甚至达到微米、纳米，而在莲叶上我们找到了纳米级的细微结构。这种细小的突起物，使得水珠不易吸附在莲叶上。当叶面倾斜到一定角度时，水珠会沿着叶面滑落并带走上面的污染物，达到自洁的效果。这种特性也可以应用在玻璃上，例如：经过纳米处理的玻璃本身也具有自洁的效果，这就可以运用在战机的雷达上。最近许多厂商也利用纳米技术处理涂料，物体涂上此涂料也将拥有自洁的效果。当这项技术普及化后，世界也将会改观。不会脏的地板、墙壁、和没有灰尘阻挠的无线电用品，将会不断的出现，人类的生活也会更加进步。

莲叶效应描绘了一个很有效的生物模型系统，用它可以来制作人工的防污表面，因为它基于一个纯物理化学的原理。有许多的领域和方面需要这种应用，如衣料的外表面、房顶、自动喷漆器等等。如果可以使得这些领域的自清洁功能得以实现，显然会带来很多好处，而且可以节省清洁花费的费用。在工业合作中，目前正在努力将莲叶效应转化成实际的技术应用。虽然肯定还需要耗费一些时间，但是肯定迟早会有这种实用的产品

走向市场。

莲叶效应实质为既疏水也疏油的超双疏效应，超双疏纳米材料举例：

经过超双疏技术处理过的各种纺织材料（棉、麻、丝、毛、绒、混纺、化纤等）等不仅显示出卓越的疏水疏油性能（包括蔬菜瓜汁、墨水、酱油等各种物质），而且不改变原有织物的各种性能（纤维强度、染料亲和性、耐洗涤性、透气性、皮肤亲和性、免熨性等），甚至还增加了杀菌、防辐射、防霉等特殊效果。

更为重要的是将从此改变人们大量使用洗涤剂洗衣的习惯，服装将大大减少洗涤次数，洗涤时也只需用水轻漂，大大节约了水资源和时间。

随着科学的进步，莲的更多特性会渐渐被人们发现，利用。

三、 国内外研究现状

模仿荷叶自清洁效应 我国超疏水性仿生研究取得新进展 中国科学院兰州化学物理研究所张俊彦研究员带领的研究小组受到自然生物启发，通过多尺度结构的协同效应来增加表面粗糙度，并将电化学腐蚀与毛细管压力诱导下的表面织构的方法相结合，有效地控制了多孔硅表面上多尺度结构的形成，成功实现多孔硅表面微纳仿生结构的制备，取得了多孔硅表面微纳仿生结构制备及其超疏水性研究的新进展。

据介绍，该研究方法对在多孔薄膜上构建多尺度结构仿生表面有重要意义。同时，由于多孔硅具有优越的生物相容性，这种具有特殊润湿性的仿生结构表面在微流体器件领域有较大应用前景。

这项研究得到了中国科学院“百人计划项目”和国家自然科学基金的资金支持。 中国专家研制出不沾油和水的仿生荷叶

最近，中国科学院化学研究所的仿生材料专家徐坚研究员和同事们发明了制造“仿生荷叶”技术，这项技术将应用于生产建筑涂料、服装面料、厨具面板等需要耐脏的产品，因而引起广泛关注。 据环球时报报道，荷叶为什么能不沾泥土和水？徐坚等人分析了荷叶的表面细微结构，发现其表面有许多乳状突起，这些肉眼看不见的小颗粒，正是“荷花自洁效应”的成因，可以让荷叶不沾染脏东西。于是，徐坚等人模仿了荷叶的表面结构，研制出人工仿生荷叶。仿生荷叶实际上是一种人造高分子薄膜，该薄膜具有不沾水和不沾油的性质。同时，仿生荷叶还具有类似荷叶的“自我修复”功能，仿生表面最外层在被破坏的状况下仍然保持了不沾水和自清洁的功能。这项研究可用于开发新一代的仿生表面材料和涂料。新型的“仿生荷叶薄膜”可以用于制造防水底片等防水产品。仿生荷叶涂料刷墙将不沾灰尘。 徐坚说，目前有两种制备仿生材料的方法。一种方法主要是通过制备与生物相似的结构或者形态的材料，这种材料可替代天然材料，如仿生人工骨材料、仿蜘蛛人造纤维。另外一种则是直接模仿生物的独特功能，以获取人们所需要的新材料，如仿生荷叶。后者需要研究人员充分了解生物的分子结构，以便从更微观的层次学习自然。

四、 荷叶效应存在的问题

自清洁纳米材料——纳米TiO2 7 TiO2以其无可比拟的光催化性能引起了国内外材料、环境、化学、物理等学科科学家的广泛关注TiO2光催化剂的可见光化研究将为人类充分利用太阳能改善人类生活环境迈出重要的一步。经过世界各国科学家的共同努力TiO2可见光化研究虽然已经取得了一定的进展对TiO2的各种改性方法TiO2、或多或少都提高了太阳能的利用率。但从目前的研凝究成果看可见光催化或能量转换效率还普遍偏低实现完因此可见光TiO2光催化剂的研制仍将是今后的研究热点。我国钛资源储量众多居世界之首如果能够利用丰富的钛资源生产出可

见光催化剂不仅对我国的经济发展有促进作用而且可以改善我们的生存环境。 现在纳米TiO2光催化剂的制备方法普遍存在成本高、过程难以控制、所得产品为颗粒状不利于使用及回收等缺点很难满足人们对高质量TiO2光催化剂的实际应用的要求。因此迫切需要研究新的制备纳米TiO2光催化剂的制备方法使之既可与基体附着牢固又不影响其催化活性。目前自清洁材料的产业化受到了一些技术上的制约: 其在可见光下的光催化效率太低，TiO2膜的大面积制备技术也不够成熟，自清洁性能的持久性还有待提高等。

五、 仿生荷叶研究计划

由荷叶衍生出来的自清洁材料（如钛白粉）在日常生活中有广泛的利用价值，不能遇到困难就退缩，应该勇于探索，我国的稀土资源丰富，这对于新型材料的开发是很好的基础。对于自清洁材料今后的研究中，应在催化剂的固定化、提高催化剂活性、抑制催化剂失活、新的制备方法等方面进行。自清洁纳米材料——纳米TiO2研发具有抗菌和自净化功能的自清洁材料对保护环境和实现可持续发展具有重要意义，这类新型功能材料的使用面极广，具有广阔的发展和应用前景。今后的自清洁材料将会朝着光催化效率更高 自清洁性能更稳定的方向发展。同时 自清洁材料的应用领域还可以不断的拓宽 如空气净化、污水处理、光催化反应器和太阳能电池组件等。只有通过不断的研究和探索 才能更大的发挥光催化自洁净材料的作用 使它能满足人们对较高生活质量的追求。