荷葉「防水罩」——出淤泥不染

原載於:《文匯報》【科學講堂】專欄

(photo via cc Flickr user blueskyfantasie)

 

巧用張力疏水性 模擬巧製家居用品

一千年前,北宋年間,理學家周敦頤寫下散文《愛蓮說》,當時的千古名句「予獨愛蓮之出淤泥而不染,濯清漣而不妖」,反映他對蓮花有深刻的觀察,而觀察力正正是成為科學家的主要條件。

 

科學解釋自潔能力

周敦頤看出蓮花有「出淤泥而不染」的自我清潔能力,他看到的,可能就如上圖中,水珠把葉面的污垢包裹起來。那麼,這是如何做到的呢?

一千年之後,科學家試圖去理解這個稱為「荷葉效應」或「蓮花效應」(lotus effect)的現象。要了解這個現象,我們先要了解液體表面的張力(surface tension)及疏水性(hydrophobicity)。

 

液體表面的張力(surface tension)

在液體內,水分子與水分子之間的引力(cohesive forces)互相平衡,但當水分子接近水與空氣的界面時,水分子與水分子之間的力則向水界面及水表面的方向,而非空氣的方向,我們稱之為水的表面張力(surface tension)。

水的表面張力可讓比水密度更高的昆蟲如水黽,俗稱「水蜘蛛」或「水鉸剪」,輕易地浮在水上,或在水上闊步而行。

 

浸潤性(wetting/ wettability)

浸潤性為液體依附在固體表面的能力。下圖中,如果水分子與固體表面之間的引力(adhesive forces)很大,水分子就會完全展開平躺,我們稱這個表面為「浸潤性高」。

而在浸潤性低的表面,水分子與固體表面之間的引力小,水分子傾向維持球狀,避免接觸到該表面。

 

疏水性(hydrophobicity)

要判斷液體在固體表面展開多少,先要明白何謂「接觸角度」,接觸角度為液體及三態(固體、液體、氣體)相交的邊界而成的角度。如果接觸角度比90度少,該表面稱為親水性(hydrophillic surface)。

如果接觸角度比90度多,該表面稱為疏水性(hydrophobic surface)。 如果接觸角度比150度多,該表面稱為超疏水性(superhydrophobic surface)。水珠在荷葉的表面接觸角度可達170度,所以荷葉的表面為超疏水性。

Cohesive forces實為香港中學化學課程內的分子間引力(intermolecular forces),分子間引力主要包括范德華力(van der Waals’ forces)及氫鍵(hydrogen bonding)。

 

表面有「粗粒」蠟晶體減水引力

荷葉表面有兩種特徵,讓水維持球狀。

一、 荷葉看似平滑的表面,其實有着高約10微米至15微米的粗糙顆粒,這個表面可以內藏一層空氣,以減少水珠接觸它表面的機會。下圖為放大後的荷葉表面。

 

 

二、 荷葉表面被納米大小的蠟晶體(wax crystals)覆蓋,而蠟與水並不相容。

因為以上兩個原因,荷葉表面與水分子之間的引力很小,所以荷葉有着自我清潔的能力。

 

鯊魚衣助破逾百游泳紀錄

日常生活中,汽車的擋風玻璃、家居油漆、電子產品均需要防水技術。科學家模仿荷葉表面的兩種特徵,即為產品表面增加微米大小的粗糙顆粒及納米大小的蠟晶體,以提供防水功效。我們在冬天穿着的gore-tex(r)防水外套,亦是使用了荷葉效應。

除了荷葉外,大自然中亦有許多動物表皮具有與荷葉相似的特徵,例如鯊魚皮及蝴蝶翅膀。2008年至2009年,超過130項游泳的世界紀錄被打破,就是因為泳手使用了以荷葉效應設計的鯊魚衣。但因賽事不公,國際游泳聯合會於2010年已經禁止泳手使用鯊魚衣。

 

小 結

科技的進步,始於我們對大自然的觀察。周敦頤大概不會想到,他對蓮葉的觀察,即為今天的納米科技。而千年後的科學家,已經掌握了某些自然界物事的特徵,亦以納米技術模擬它們,並將之應用於促進人類的生活上。

 

 

作者:吳俊熙

吳俊熙
吳俊熙博士曾於加州的州立大學及香港大學教授化學,現於洛杉磯任助理教授。為四個大型科學普及活動的計劃總監,致力於推動本地科普:曾為無線電視時事節目《新聞透視》的訪問對象,講解食物安全;亦為有線電視節目《腦作怪》的嘉賓主持,從科學角度分析人類感知。曾到訪超過三十所本地及外國中學講授科學。網站:http://www.drbennyng.net/

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文章資訊

ID: 147417
Date: 2016-12-09 15:36:41
Generated at: 2020-10-28 04:52:50
Permalink: https://www.vjmedia.com.hk/articles/2016/12/09/147417/荷葉「防水罩」-出淤泥不染