Кіріспе

Өзін-өзі тазартатын қасиеттер

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.

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.

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.

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.