【摘要】：本文介紹了荷葉自清潔效應(yīng)的原理，即荷葉表面的蠟質(zhì)是產(chǎn)生表面疏水性的根本原因，其超微納米結(jié)構(gòu)放大了其疏水性。結(jié)合此疏水原理，闡述了荷葉效應(yīng)在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，并適當(dāng)?shù)靥岢隽苏雇?/p>

【關(guān)鍵詞】：納米結(jié)構(gòu)；自清潔；應(yīng)用

一、引言

眾所周知，荷葉素來(lái)纖塵不染，水珠根本無(wú)法浸濕其表面，人們將這種現(xiàn)象稱為自清潔效應(yīng)。研究表明，荷葉的基本化學(xué)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(tuán)，在自然環(huán)境中應(yīng)極易吸附水分或污漬。從機(jī)械學(xué)的光潔度（粗糙度）角度考慮，它的表面光潔度根本達(dá)不到機(jī)械學(xué)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(yīng)機(jī)理

德國(guó)玻恩大學(xué)植物學(xué)教授W.Bartblott經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察研究，在上世紀(jì)九十年代初終于揭開(kāi)了荷葉葉面神奇的面紗。原來(lái)在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。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(gè)乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。此時(shí)的荷葉葉面上就像布滿了一個(gè)個(gè)緊挨著的“小山包”，它上面長(zhǎng)滿絨毛，在“山包”頂又長(zhǎng)出一個(gè)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(jí)厚的空氣層。這就使得在尺寸上遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)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(gè)點(diǎn)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(dòng)中吸附灰塵并最終將其帶離葉面。總而言之，荷葉表面同時(shí)擁有這種納米尺寸的物理結(jié)構(gòu)與疏水性的化學(xué)組成就是“蓮花效應(yīng)”能自潔葉面的奧妙所在。

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

三、仿荷葉效應(yīng)的運(yùn)用

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

1.超雙疏界面材料

通過(guò)研究荷葉效應(yīng)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(gè)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(dá)到納米級(jí)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(yīng)用工程技術(shù)中心、浙江大學(xué)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(jié)構(gòu)、表面原子數(shù)所占比例大、表面原子的不飽性等理化性能，以及兩個(gè)混合相之間產(chǎn)生很大的作用力這一原理，在體材料表面設(shè)計(jì)、構(gòu)造荷葉效應(yīng)，使織物表面張力降低，在織物表面形成納米尺寸效應(yīng)，即形成穩(wěn)定的納米級(jí)空氣層，使界面形態(tài)呈凸凹叢針狀納米結(jié)構(gòu).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(shí)，水在仿荷葉狀的界面上呈球狀，稍有外力，即可快速滑動(dòng)，而不在表面留下任何痕跡，呈現(xiàn)出超強(qiáng)的疏水、疏油功能，使常溫中自然下落的水珠及動(dòng)植物油不能滲入織物纖維內(nèi)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(chǎng)化，我們的衣服可以大大減少洗滌次數(shù)，同時(shí)可以減少洗衣液、洗衣粉的使用，為節(jié)約資源、保護(hù)水環(huán)境貢獻(xiàn)一份綿薄之力。另一方面，據(jù)專家介紹，對(duì)此制備工藝稍加調(diào)整，就可制備出兼有驅(qū)除蚊蠅、抗菌防霉、超強(qiáng)阻燃、抗靜電及按需調(diào)配的多種功能型界面材料，為人們的生活帶來(lái)極大的便利，因此應(yīng)用前景十分廣闊。

2.納米復(fù)合外墻涂料

建筑物的形象在一定程度上反映一個(gè)城市的文明，因此各地政府紛紛出臺(tái)政策，規(guī)定商業(yè)建筑物、住宅小區(qū)以及景觀道路兩側(cè)的建筑物的外立面須隔幾年用建筑涂料進(jìn)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(guī)定》，《規(guī)定》提出外立面整潔標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)明顯污跡，無(wú)殘損、脫落，嚴(yán)重變色，無(wú)亂掛、亂貼、亂涂、亂刻；附屬設(shè)施符合城市容貌標(biāo)準(zhǔn)。城市建筑物、構(gòu)筑物外立面，應(yīng)當(dāng)按照下列規(guī)定定期清洗保潔，并明確清潔外立面的時(shí)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(biāo)志著建筑物外立面保潔工作有了第一部法規(guī)，這將對(duì)相關(guān)行業(yè)產(chǎn)生重要影響。但是化學(xué)清洗劑的會(huì)對(duì)建筑物有一定的腐蝕，且需配有相關(guān)的輔助設(shè)備，過(guò)程復(fù)雜、費(fèi)用高，同時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。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(lái)人們致力于納米符合外墻涂料的研究，以期Sto集團(tuán)技術(shù)人員模仿荷葉的葉面結(jié)構(gòu)，研制出了“荷花王”硅樹(shù)脂外墻涂料，仿照荷葉表面具有的微米-納米雙重結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把具有獨(dú)特界面效應(yīng)的納米粒子經(jīng)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(jié)晶，并結(jié)合特殊分散手段的生產(chǎn)工藝，從而使漆膜表面具有超強(qiáng)疏水特性，這一點(diǎn)已由知名機(jī)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)和驗(yàn)證.在用“荷花王”（Lotusan）涂刷過(guò)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(dòng)時(shí)將細(xì)小的灰塵顆粒收集，以達(dá)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(fù)合外墻涂料抗污、耐水、耐酸雨、防霉等性能更優(yōu)異，若替代瓷磚應(yīng)用于潮濕最重、污垢較多的衛(wèi)生間、廚房、醫(yī)院等建筑的內(nèi)墻之中，則可延長(zhǎng)房屋修繕和維護(hù)的周期?？傊?，由于其優(yōu)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(fēng)玻璃等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

四、展望

目前為止，人們已經(jīng)掌握了荷葉效應(yīng)的機(jī)理，并逐漸發(fā)明出多功能的新型仿荷葉物品。荷葉效應(yīng)的研究成果的應(yīng)用前景遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，若用于現(xiàn)代軍事和戰(zhàn)爭(zhēng)的服裝，除了遮風(fēng)擋雨，可在惡劣的潮濕環(huán)境中，使戰(zhàn)土們保持干爽舒服之外，還可以防止有毒液體的侵入；若應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，可用作保護(hù)醫(yī)務(wù)人員不受血載病菌侵害的醫(yī)用屏障織物，阻止某些通過(guò)血液、唾液傳播的疾病在世界范圍內(nèi)的肆虐橫行；若應(yīng)用于建筑材料領(lǐng)域，可使建筑外圍履行主動(dòng)、自我調(diào)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(fù)合型轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到縮減城市環(huán)衛(wèi)清潔成本、保持城市美觀的目的等等?？偠灾?，荷葉效應(yīng)的應(yīng)用為我們帶來(lái)極大的便利，我堅(jiān)信隨著科技的發(fā)展，會(huì)有越來(lái)越多的仿荷葉產(chǎn)品涌現(xiàn)，從而更好地改善人們的生活。