蓮花效應(yīng)

1、蓮花效應(yīng),資工一 鄭婉婷 蕭妟如 鄭又慈 劉書瑋廖宏寧 陳春松 楊俊彥,具有微米級表皮細(xì)胞與奈米級蠟質(zhì)結(jié)晶的蓮葉表面,植物葉子表面之微結(jié)構(gòu)─表面較為粗糙,植物葉子表面之微結(jié)構(gòu)─表面較為平坦,蓮花效應(yīng),什麼是蓮花效應(yīng)—自潔“蓮花效應(yīng)”發(fā)現(xiàn)者蓮花的自潔能力蓮花效應(yīng)的應(yīng)用,水珠會夾帶灰塵顆粒離開葉面,什麼是蓮花效應(yīng),蓮花效應(yīng)是指蓮葉表面具有超疏水以及自潔的特性。由於蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會因表面張力的作用形成水

2、珠，水與葉面的接觸角(contact angle)會大於140度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。因此，即使經(jīng)過一場傾盆大雨，蓮葉的表面總是能保持乾燥；此外，滾動的水珠會順便把一些灰塵污泥的顆粒一起帶走，達(dá)到自我潔淨(jìng)的效果，這就是蓮花總是能一塵不染的原因,在表面張力作用下，水與超疏水表面會有一接觸角,“蓮花效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn),1997年，德國波昂大學(xué)的植物學(xué)家Wilhelm Barthlott針對這個特殊現(xiàn)象進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了上述

3、蓮花的疏水性與自我潔淨(jìng)的關(guān)係，因此創(chuàng)造了「蓮花效應(yīng)」(Lotus effect)一詞，同時也擁有這個商標(biāo)的專利權(quán)。從此以後，蓮花效應(yīng)就成了奈米科技最具代表性的名詞。,蓮花效應(yīng),在電子顯微鏡下，蓮葉的表面具有大小約5~15微米細(xì)微突起的表皮細(xì)胞表皮細(xì)胞上又覆蓋著一層直徑約1奈米的蠟質(zhì)結(jié)晶，蠟質(zhì)結(jié)晶本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有疏水性，所以當(dāng)水與這類表面接觸時，會因表面張力而形成水珠，再加上葉表的細(xì)微結(jié)構(gòu)，使水與葉面的接觸面積更小而接觸角變大，因此加強(qiáng)

4、了疏水性，同時也降低污染顆粒對葉面的附著力。,在電子顯微鏡下觀察水銀與葉面接觸的狀況,蓮花自潔能力,表面細(xì)微的奈米結(jié)構(gòu)在自潔功能上扮演著關(guān)鍵的角色。以蓮葉為例，水珠與葉面接觸的面積大約只佔(zhàn)總面積的2~3%，若將葉面傾斜，則滾動的水珠會吸附起葉面上的污泥顆粒，一同滾出葉面，達(dá)到清潔的效果；相形之下，在同樣具有疏水性的光滑表面，水珠只會以滑動的方式移動，並不會夾帶灰塵離開，因此不具有自潔的能力。,細(xì)微結(jié)構(gòu)與自潔作用即使同樣具有疏水性的表面，

5、在細(xì)微結(jié)構(gòu)上的水珠會吸附著灰塵顆粒滾動，而在光滑表面上，水珠能使顆粒移動的程度有限,蓮花效應(yīng)的應(yīng)用,在自然界中，植物總是暴露在各種污染源當(dāng)中，例如灰塵、污泥，還有一些有機(jī)的細(xì)菌、真菌等。蓮葉上複雜的奈米與微米級結(jié)構(gòu)除了有自潔的功能外，還可以防止受到細(xì)菌、病源體的感染，只要經(jīng)過一場大雨的洗禮，就能恢復(fù)煥然一新。目前蓮花效應(yīng)的概念主要是應(yīng)用在防污防塵上，透過人工合成的方式，將特殊的化學(xué)成分加入塗料、建材、衣料內(nèi)等等，使其具有某些程度的自潔功

6、能，以實(shí)現(xiàn)拒水防塵的目的。,紫外光照射移動水源,將奈米線覆蓋在表面上，成功地僅憑紫外光照射就能移動水滴。這項(xiàng)技術(shù)未來可望應(yīng)用在微流元件上，或許將有助於藥物輸送等。,蓮花效應(yīng)的應(yīng)用,一、塗裝產(chǎn)業(yè)新契機(jī)這種表面自清潔的特性不僅存在於蓮花葉面上，在動物皮膚或許多其他植物葉子中亦都得到驗(yàn)證，而開發(fā)仿造蓮葉具自清潔功能的疏水塗料、塗裝技術(shù)製程，乃蔚為風(fēng)潮。相關(guān)的研究方向包含：(1)應(yīng)用於LCD產(chǎn)品之高阻氣、高透明塗料及抗反射高硬度塗料(

7、2)應(yīng)用於電子產(chǎn)品之電磁遮蔽塗料(3)應(yīng)用於建築之隔熱節(jié)能塗料及自清潔塗料(4)金屬用防蝕防鏽塗料(5)具環(huán)保相容性之塗料(6)具有殺菌效果的奈米光觸媒塗料(7)精密的塗裝製程技術(shù)(8)模擬計算於塗裝製程上的應(yīng)用技術(shù)(9)建立相關(guān)量測或檢測技術(shù),二、功能性塗裝材料與技術(shù)塗裝材料及種類眾多，作用方式及機(jī)制亦不同，製備技術(shù)更是千變?nèi)f化，塗層除了其基本特性外，還要能滿足某些特殊的性能要求，如：自潔性、耐蝕性、耐磨性等塗層。

8、依塗層材料的特性與形成的技術(shù)可粗分為下列三種：（一）金屬塗層（二）非金屬塗層（三）複合材料塗層,（一）金屬塗層各種金屬，如銅、鋁、鎳、鉻、銀等許多金屬材料均可成為塗層，可達(dá)到防腐蝕、耐磨及其他功能塗層作用。金屬塗層依形成的技術(shù)又可細(xì)分為五種：(1)熱噴塗層 (2)熱浸鍍塗層 (3)電沈積塗層 (4)化學(xué)沈積鍍層表面形成塗層 (5)氣相沈積塗層,右圖:電鍍(電沈積)原理示意圖,（二）非金屬塗層

9、 各種有機(jī)材料，如油漆、樹脂等高分子材料；各種無機(jī)非金屬材料，如矽酸鹽及有色礦物均可為塗層，可達(dá)到防腐蝕、耐磨及其他功能塗層作用。非金屬塗層依構(gòu)成的材料與技術(shù)又可細(xì)分為三種：(1)有機(jī)塗料塗層 (2)無機(jī)塗料塗層 (3)塑料塗層,,三、塗裝材料技術(shù)發(fā)展上的應(yīng)用塗裝(層)材料技術(shù)應(yīng)用層面相當(dāng)廣泛，依所需功能性的不同，在材料特性選擇與形成技術(shù)上而有差異，目前最大的應(yīng)用層面在於高阻氣高透明性塗層與超疏水自清潔塗層二大方向：

10、（一）高阻氣高透氣性有機(jī)材料：溼式法形成鍍層 優(yōu)點(diǎn)---生產(chǎn)速度快且具大面積化生產(chǎn)性，更適合於連續(xù)生產(chǎn)無機(jī)材料：乾式法形成鍍層 目的---阻隔水氣與氧氣 有機(jī)/無機(jī)混成材料：藉由高阻氣無機(jī)物的添加，達(dá)到提高有機(jī)塑膠材料之阻氣性，

11、 又保有高分子材料本身韌性之功能。,,（二）超疏水自清潔性 自清潔的表面處理在去年SARS流行後受到廣泛的注意，要達(dá)到超疏水性表 面之功能必須具備兩項(xiàng)條件： (1)表面粗糙結(jié)構(gòu)(如圖二) (2)低表面能量。,圖二 粗糙結(jié)構(gòu),部份的植物與雁、鴨等動物類似的自清潔機(jī)制：(1)雁鴨：雁鴨的羽毛表面主要組成成份亦為油脂類

12、，而羽毛的層狀微結(jié)構(gòu)中又藏有空氣，所以雁鴨即使在水中也不會弄羽毛，不會造成其飛行時的阻力，在空中飛翔時更可藉此來降低與空氣間的摩擦力，使飛行時更省力。(2)蝴蝶：蝴蝶翅膀的微小構(gòu)造皆有像蓮花般的粗糙結(jié)構(gòu)，其粗糙度比較均勻，經(jīng)光照反射形成亮麗的顏色與奈米粗糙度有相當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)性，如圖四所示。,圖三 疏水表面的接觸角,圖四 蝴蝶翅膀與均勻的疏水性微結(jié)構(gòu)有關(guān),為了使基材表面具有粗糙度，又可以提升疏水性能，其形成方法有下列三種：(1

13、)機(jī)械方法：以一外力施於基材表面，使其具不同的幾何結(jié)構(gòu)(2)施以一低表面能材料，被覆於粗糙表面基材(3)以奈米粉體為粗糙度的來源，再藉粉體表面改質(zhì)，使粉體上有低表面能的高分 子或疏水處理。,圖五 表面改質(zhì)示意圖,蓮花效應(yīng)也有失靈時,美國的兩位研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，若只考慮水滴或水珠，蓮葉確實(shí)呈現(xiàn)超疏水現(xiàn)象(superhydrophobicity)，一旦遇上凝結(jié)的水蒸氣，蓮葉卻反而呈現(xiàn)親水性(hydrophilic)。,,美

14、國密西根州通用汽車公司研發(fā)中心的Yang-Tse Cheng及利卡多MEDA技術(shù)服務(wù)中心的Daniel Rodak將蓮葉置於水蒸氣源之上，數(shù)分鐘後水汽開始在葉面上凝結(jié)形成小水滴，隨著凝結(jié)持續(xù)進(jìn)行，部分小水珠會合併成較大的水珠，繼續(xù)停留在葉面，並未如預(yù)期一般形成滾動的水珠。,Cheng和Rodak指出，水蒸氣凝結(jié)成的水滴陷在葉面的奈米微管之間，隨著小水滴逐漸連接合併，最後會填滿葉面介於微米級突起物之間的凹處，因此對於落在葉面的外來水珠產(chǎn)生