Лотос эффекті: Өсімдіктер мен жәндіктердегі өзін-өзі тазартатын қасиеттер, судың түйіршіктері арқылы кірді кетіру. Гидрофобия, наноқұрылым туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Өзін-өзі тазартатын қасиеттер
Self cleaning properties
Лотос эффектісі – лотос гүлінің (Nelumbo) жапырақтарында байқалатын ультрагидрофобтылықтың салдарынан туындайтын өзін-өзі тазартатын қасиеттерді білдіреді. Кір бөлшектері бетіндегі микро және наноқұрылымның арқасында су тамшыларымен бірге алынып тасталады, бұл тамшының осы бетке жабысуын азайтады. Ультрагидрофобтылық және өзін-өзі тазарту қасиеттері Tropaeolum (nasturtium), Opuntia (түйелі алмұрт), Alchemilla, қамыс және кейбір жәндіктердің қанаттары сияқты басқа өсімдіктерде де кездеседі. Ультрагидрофобтылық құбылысын 1964 жылы Деттре және Джонсон дөңгелек гидрофобты беттерді пайдаланып алғаш зерттеді. Олардың жұмысы парафинмен немесе ПТФЭ-теломермен жабылған шыны шарларды қолдана отырып жүргізілген эксперименттерге негізделген теориялық модельді жасады. 1977 жылы Вильгельм Бартлотт пен Элер ультрагидрофобты микро және наноқұрылымды беттердің өзін-өзі тазарту қасиеттерін зерттеді және мұндай өзін-өзі тазарту және ультрагидрофобты қасиеттерді алғаш рет "лотос эффектісі" деп сипаттады; ал 1986 жылы Браун химиялық және биологиялық сұйықтықтарды өңдеу үшін перфторулкил және перфторуполиэтерлік ультрагидрофобты материалдарды әзірледі. 1990 жылдардан бері басқа биотехнологиялық қолданыстар пайда болды.
The lotus effect refers to self cleaning properties that are a result of ultrahydrophobicity as exhibited by the leaves of Nelumbo, the lotus flower. Dirt particles are picked up by water droplets due to the micro and nanoscopic architecture on the surface, which minimizes the droplet's adhesion to that surface. Ultrahydrophobicity and self cleaning properties are also found in other plants, such as Tropaeolum (nasturtium), Opuntia (prickly pear), Alchemilla, cane, and also on the wings of certain insects. The phenomenon of ultrahydrophobicity was first studied by Dettre and Johnson in 1964 using rough hydrophobic surfaces. Their work developed a theoretical model based on experiments with glass beads coated with paraffin or PTFE telomer. The self cleaning property of ultrahydrophobic micro nanostructured surfaces was studied by Wilhelm Barthlott and Ehler in 1977, who described such self cleaning and ultrahydrophobic properties for the first time as the "lotus effect"; perfluoroalkyl and perfluoropolyether ultrahydrophobic materials were developed by Brown in 1986 for handling chemical and biological fluids. Other biotechnical applications have emerged since the 1990s.
Функционалдық принцип
Судың жоғары беттік кернеуі тамшылардың шар тәрізді пішін алуына себеп болады, себебі шардың беткі ауданы ең аз, сондықтан бұл пішін қатты-сұйық беттік энергияны азайтады. Сұйықтың бетпен жанасуы кезінде жабысу күштері беттің ылғалдануына әкеледі. Ылғалдану толық немесе толық емес болуы мүмкін, бұл беттің құрылымы мен тамшының сұйықтық кернеуіне байланысты. Өзін-өзі тазарту қасиеттерінің себебі – беттің гидрофобты, суды тебілетін екі қабатты құрылымы. Бұл бет пен тамшы арасындағы жанасу ауданы мен жабысу күшін айтарлықтай азайтады, нәтижесінде өзін-өзі тазарту процесі жүзеге асады. Бұл иерархиялық екі қабатты құрылым ерекше эпидермистен (оның ең сыртқы қабаты – қабықша) және оны жабатын балауыздардан тұрады. Лотос өсімдігінің эпидермисі 10 мкм-ден 20 мкм-ге дейін биіктігі және 10 мкм-ден 15 мкм-ге дейін ені бар папиллярларға ие, олардың үстіне эпикутикулярлық балауыздар жабылады. Бұл балауыздар гидрофобты және екі қабатты құрылымның екінші қабатын құрайды. Бұл жүйе қайта жаңарады. Осы биохимиялық қасиет беттің суды тебу қабілетіне жауап береді. Беттің гидрофобтылығы оның контактілік бұрышы арқылы өлшеніп, контактілік бұрыш неғұрлым жоғары болса, беттің гидрофобтылығы соғұрлым жоғары болады. Контактілік бұрышы < 90° болатын беттер гидрофильді, ал > 90° болатын беттер гидрофобты деп аталады. Кейбір өсімдіктер 160° дейін контактілік бұрыш көрсетеді және олар ультрагидрофобты деп аталады, яғни тамшының (типілдік мөлшердегі) бетімен тек 2-3% жанасады. Лотос сияқты екі қабатты беті бар өсімдіктер 170° контактілік бұрышқа жете алады, мұнда тамшының жанасу ауданы 0,6% ғана құрайды. Бұл өзін-өзі тазарту әсеріне әкеледі. Өте төмен жанасу ауданына ие лас бөлшектері су тамшыларымен жиналады және осылайша беттен оңай тазартылады. Су тамшысы мұндай ластанған бетке домалағанда, бөлшектің химиялық құрамына қарамастан, лас бөлшек пен тамшы арасындағы жабысу, бөлшек пен бет арасындағы жабысудан жоғары болады. Бұл тазалау әсері супергидрофобтық бет жасалғанда, мысалы, тот баспайтын болат сияқты кең таралған материалдарда көрсетілген. Өзін-өзі тазарту әсері судың жоғары беттік кернеуіне негізделгендіктен, ол органикалық еріткіштермен жұмыс істемейді. Сондықтан, беттің гидрофобтылығы граффитиден қорғамайды. Бұл әсер өсімдіктер үшін саңырауқұлақтар немесе балдырлар сияқты патогендерден қорғау ретінде, сондай-ақ бауырсақтар, шұбарлар және денелерінің барлық бөліктерін тазарта алмайтын басқа да жәндіктер үшін маңызды. Өзін-өзі тазартудың тағы бір пайдасы – өсімдіктің жарыққа ұшыраған бетінің ластануын болдырмау, нәтижесінде фотосинтездің төмендеуі.
The high surface tension of water causes droplets to assume a nearly spherical shape, since a sphere has minimal surface area, and this shape therefore minimizes the solid liquid surface energy. On contact of liquid with a surface, adhesion forces result in wetting of the surface. Either complete or incomplete wetting may occur depending on the structure of the surface and the fluid tension of the droplet. The cause of self cleaning properties is the hydrophobic water repellent double structure of the surface. This enables the contact area and the adhesion force between surface and droplet to be significantly reduced, resulting in a self cleaning process. This hierarchical double structure is formed out of a characteristic epidermis (its outermost layer called the cuticle) and the covering waxes. The epidermis of the lotus plant possesses papillae 10 μm to 20 μm in height and 10 μm to 15 μm in width on which the so called epicuticular waxes are imposed. These superimposed waxes are hydrophobic and form the second layer of the double structure. This system regenerates. This biochemical property is responsible for the functioning of the water repellency of the surface. The hydrophobicity of a surface can be measured by its contact angle. The higher the contact angle the higher the hydrophobicity of a surface. Surfaces with a contact angle < 90° are referred to as hydrophilic and those with an angle >90° as hydrophobic. Some plants show contact angles up to 160° and are called ultrahydrophobic, meaning that only 2–3% of the surface of a droplet (of typical size) is in contact. Plants with a double structured surface like the lotus can reach a contact angle of 170°, whereby the droplet's contact area is only 0.6%. All this leads to a self cleaning effect. Dirt particles with an extremely reduced contact area are picked up by water droplets and are thus easily cleaned off the surface. If a water droplet rolls across such a contaminated surface the adhesion between the dirt particle, irrespective of its chemistry, and the droplet is higher than between the particle and the surface. This cleaning effect has been demonstrated on common materials such as stainless steel when a superhydrophobic surface is produced. As this self cleaning effect is based on the high surface tension of water it does not work with organic solvents. Therefore, the hydrophobicity of a surface is no protection against graffiti. This effect is of a great importance for plants as a protection against pathogens like fungi or algae growth, and also for animals like butterflies, dragonflies and other insects not able to cleanse all their body parts. Another positive effect of self cleaning is the prevention of contamination of the area of a plant surface exposed to light resulting in reduced photosynthesis.
Техникалық қолдану
Ультрагидрофобтық беттердің өзін-өзі тазартатын қасиеттері жапырақ бетінің ерекше химиялық қасиеттерінен емес, микроскоптық-наноскоптық деңгейдегі физикалық-химиялық қасиеттерден туындайтыны анықталғанда, бұл эффектті жасанды беттерде қолдану мүмкіндігі туды. Нанотехнологтардың кейбіреулері, мысалы, лотос сияқты өсімдіктердің өзін-өзі тазартатын қасиеттерін техникалық тұрғыдан қайталап, құрғақ және таза болатын емдеулер, жабындар, бояулар, шатыр плиткалары, маталар және басқа да беттерді жасады. Бұл әдетте құрылымды беттерге арнайы фторхимиялық немесе силикондық емдеулерді қолдану арқылы немесе микроскопиялық бөлшектерді қамтитын құралымдарды пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Химиялық беттік емдеулер, уақыт өте келе тозатын болса, металдар фемтосекундтық импульстік лазерлермен өңделіп, лотос эффектін жасауға болады. Материалдар кез келген бұрышта біркелкі қара түсті болады, бұл өзін-өзі тазартатын қасиеттермен үйлесіп, күн энергиясын жинақтау құрылғыларын аз күтіммен пайдалануға мүмкіндік береді, ал металдың беріктігі аурудың таралуын азайту үшін өзін-өзі тазартатын санитарлық тораптарда қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, Германия автобандарының трафик бақылау сенсорларына орнатылған өзін-өзі тазартатын әйнек сияқты, серіктес компания (Ferro GmbH) әзірлеген басқа да қолданыстар сатылымға түсті. Швейцариялық HeiQ және Schoeller Textil компаниялары "HeiQ Eco Dry" және "nanosphere" брендтерімен дақтарға төзімді маталарды жасады. 2005 жылғы қазан айындағы Hohenstein ғылыми-зерттеу институтының сынақтары NanoSphere технологиясымен өңделген киімдерге түскен помидор соусы, кофе және қызыл шарап бірнеше жуғаннан кейін де оңай жуылып кететінін көрсетті. Басқа да мүмкін қолданыстарға өздігінен тазаланатын шатырлар, брезенттер және желкендер жатады, олар әдетте тез кірленіп, тазалау қиын. Микротолқынды антенналарға жағылған супергидрофобтық жабындар жаңбырдың әсерін азайтуға және мұз бен қардың жиналуын болдырмауға көмектеседі. Жарнамадағы "тазалауға оңай" өнімдер көбінесе гидрофобтық немесе ультрагидрофобтық беттердің өзін-өзі тазартатын қасиеттері деп жаңылысқан. Үлгіленген ультрагидрофобтық беттер "чиптегі зертхана" микрофлюидтық құрылғылары үшін де перспективалы және беттік биоанализді жақсартуға мүмкіндік береді. Супергидрофобтық немесе гидрофобтық қасиеттер ылғалды жинау немесе суды суару үшін резервуарға бағыттау мақсатында қолданылды. Groasis Waterboxx-тің қақпағы ультрагидрофобтық қасиеттерге негізделген микроскопиялық пирамидалық құрылымға ие, ол конденсация мен жаңбыр суын резервуарға жинап, өсімдік тамырына жеткізеді.
When it was discovered that the self cleaning qualities of ultrahydrophobic surfaces come from physical chemical properties at the microscopic to nanoscopic scale rather than from the specific chemical properties of the leaf surface, the possibility arose of using this effect in manmade surfaces, by mimicking nature in a general way rather than a specific one. Some nanotechnologists have developed treatments, coatings, paints, roof tiles, fabrics and other surfaces that can stay dry and clean themselves by replicating in a technical manner the self cleaning properties of plants, such as the lotus plant. This can usually be achieved using special fluorochemical or silicone treatments on structured surfaces or with compositions containing micro scale particulates. In addition to chemical surface treatments, which can be removed over time, metals have been sculpted with femtosecond pulse lasers to produce the lotus effect. The materials are uniformly black at any angle, which combined with the self cleaning properties might produce very low maintenance solar thermal energy collectors, while the high durability of the metals could be used for self cleaning latrines to reduce disease transmission. Further applications have been marketed, such as self cleaning glasses installed in the sensors of traffic control units on German autobahns developed by a cooperation partner (Ferro GmbH). The Swiss companies HeiQ and Schoeller Textil have developed stain resistant textiles under the brand names "HeiQ Eco Dry" and "nanosphere" respectively. In October 2005, tests of the Hohenstein Research Institute showed that clothes treated with NanoSphere technology allowed tomato sauce, coffee and red wine to be easily washed away even after a few washes. Another possible application is thus with self cleaning awnings, tarpaulins and sails, which otherwise quickly become dirty and difficult to clean. Superhydrophobic coatings applied to microwave antennas can significantly reduce rain fade and the buildup of ice and snow. "Easy to clean" products in ads are often mistaken in the name of the self cleaning properties of hydrophobic or ultrahydrophobic surfaces. Patterned ultrahydrophobic surfaces also show promise for "lab on a chip" microfluidic devices and can greatly improve surface based bioanalysis. Superhydrophobic or hydrophobic properties have been used in dew harvesting, or the funneling of water to a basin for use in irrigation. The Groasis Waterboxx has a lid with a microscopic pyramidal structure based on the ultrahydrophobic properties that funnel condensation and rainwater into a basin for release to a growing plant's roots.
Зерттеу тарихы
Лотостың өзін-өзі тазартатын қасиеті Азияда одан бұрын да белгілі болған болуы мүмкін (Бхагавад-гитада «лотос эффектісіне» сілтеме кездеседі), бірақ оның механизмі тек 1970 жылдардың басында сканерлік электронды микроскоп пайда болғаннан кейін ғана түсіндірілді.
Although the self cleaning phenomenon of the lotus was possibly known in Asia long before (reference to the lotus effect is found in the Bhagavad Gita), its mechanism was explained only in the early 1970s after the introduction of the scanning electron microscope.