Эффект лотоса: самоочищающиеся поверхности и ультрагидрофобность.

Введение

Самоочищающиеся свойства

Эффект лотоса относится к самоочищающимся свойствам, являющимся результатом ультрагидрофобности, проявляемой листьями Нелумбо, цветка лотоса. Частицы грязи собираются капельками воды благодаря микро- и наноскопической архитектуре поверхности, которая минимизирует адгезию капель к ней. Ультрагидрофобность и самоочищающиеся свойства также встречаются у других растений, таких как Tropaeolum (настурция), Opuntia (опунция), Alchemilla, тростник, а также на крыльях некоторых насекомых. Феномен ультрагидрофобности впервые был изучен Деттером и Джонсоном в 1964 году на примере шероховатых гидрофобных поверхностей. Их работа привела к разработке теоретической модели, основанной на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или теломером PTFE. Свойство самоочистки ультрагидрофобных микро- и наноструктурированных поверхностей было изучено Вильгельмом Бартлоттом и Элером в 1977 году, которые впервые описали такие самоочищающиеся и ультрагидрофобные свойства как "эффект лотоса"; перфторалкильные и перфторполиэфирные ультрагидрофобные материалы были разработаны Брауном в 1986 году для работы с химическими и биологическими жидкостями. С 1990-х годов появились и другие биотехнологические применения.

Принцип функционирования

Высокое поверхностное натяжение воды приводит к тому, что капли принимают почти сферическую форму, поскольку сфера обладает минимальной площадью поверхности, и эта форма, следовательно, минимизирует поверхностную энергию на границе раздела фаз твердого и жидкого вещества. При контакте жидкости с поверхностью силы адгезии приводят к смачиванию поверхности. Может происходить полное или неполное смачивание, в зависимости от структуры поверхности и поверхностного натяжения капли. Причиной самоочищающихся свойств является гидрофобная, водоотталкивающая двойная структура поверхности. Это позволяет значительно уменьшить площадь контакта и силу адгезии между поверхностью и каплей, что приводит к процессу самоочистки. Эта иерархическая двойная структура образована характерным эпидермисом (его внешний слой называется кутикулой) и покрывающими восками. Эпидермис листа лотоса имеет папиллы высотой от 10 до 20 мкм и шириной от 10 до 15 мкм, на которых расположены так называемые эпикутикулярные воски. Эти нанесенные воски гидрофобны и образуют второй слой двойной структуры. Эта система регенерируется. Это биохимическое свойство отвечает за функционирование водоотталкивающих свойств поверхности. Гидрофобность поверхности можно измерить по углу контакта. Чем выше угол контакта, тем выше гидрофобность поверхности. Поверхности с углом контакта < 90° называются гидрофильными, а с углом контакта > 90° – гидрофобными. Некоторые растения демонстрируют угол контакта до 160° и называются ультрагидрофобными, что означает, что в контакте находится всего 2–3% поверхности капли (типичного размера). Растения с двойной структурой поверхности, такие как лотос, могут достигать угла контакта 170°, при этом площадь контакта капли составляет всего 0,6%. Все это приводит к самоочищающемуся эффекту. Частицы грязи с чрезвычайно уменьшенной площадью контакта захватываются каплями воды и, таким образом, легко удаляются с поверхности. Если капля воды скатывается по такой загрязненной поверхности, адгезия между частицей грязи (независимо от ее химического состава) и каплей выше, чем между частицей и поверхностью. Этот очищающий эффект был продемонстрирован на обычных материалах, таких как нержавеющая сталь, при создании сверхгидрофобной поверхности. Поскольку этот эффект самоочистки основан на высоком поверхностном натяжении воды, он не работает с органическими растворителями. Следовательно, гидрофобность поверхности не защищает от граффити. Этот эффект имеет большое значение для растений как защита от патогенов, таких как грибы или водоросли, а также для животных, таких как бабочки, стрекозы и другие насекомые, которые не могут очистить все части своего тела. Еще одним положительным эффектом самоочистки является предотвращение загрязнения поверхности растения, подверженной воздействию света, что приводит к снижению фотосинтеза.

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.

Техническое применение

Когда было обнаружено, что самоочищающиеся свойства ультрагидрофобных поверхностей обусловлены физико-химическими свойствами в микроскопическом и наноскопическом масштабах, а не специфическими химическими свойствами поверхности листа, появилась возможность использования этого эффекта в искусственных поверхностях, имитируя природу в общем, а не в конкретном смысле. Некоторые нанотехнологи разработали составы для обработки, покрытия, краски, кровельную черепицу, ткани и другие поверхности, которые могут оставаться сухими и самоочищаться, технически воспроизводя самоочищающиеся свойства растений, таких как лотос. Обычно этого можно достичь с помощью специальных фторсодержащих или силиконовых обработок на структурированных поверхностях или с использованием композиций, содержащих микрочастицы. Помимо химической обработки поверхности, которая может со временем удаляться, металлы подвергались обработке фемтосекундными импульсными лазерами для создания эффекта лотоса. Материалы остаются равномерно черными под любым углом, что в сочетании с самоочищающимися свойствами может привести к созданию солнечных тепловых коллекторов, требующих минимального обслуживания, а высокая долговечность металлов может быть использована для самоочищающихся туалетов с целью снижения распространения заболеваний. На рынок также были выпущены другие продукты, такие как самоочищающиеся стекла, установленные в датчиках систем управления движением на немецких автобанах, разработанные в сотрудничестве с компанией Ferro GmbH. Швейцарские компании HeiQ и Schoeller Textil разработали ткани с защитой от пятен под торговыми марками "HeiQ Eco Dry" и "nanosphere" соответственно. В октябре 2005 года испытания, проведенные Институтом исследований Хогенштейна, показали, что одежда, обработанная технологией NanoSphere, позволяет легко удалять томатный соус, кофе и красное вино даже после нескольких стирок. Другим возможным применением является самоочищающаяся тентовая ткань, брезент и паруса, которые в противном случае быстро загрязняются и их трудно чистить. Супергидрофобные покрытия, наносимые на микроволновые антенны, могут значительно снизить затухание сигнала из-за дождя, а также образование наледи и снега. Продукты, рекламируемые как "легко очищаемые", часто ошибочно приписывают самоочищающиеся свойства гидрофобных или ультрагидрофобных поверхностей. Структурированные ультрагидрофобные поверхности также перспективны для микрофлюидных устройств "лаборатория на чипе" и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ. Супергидрофобные или гидрофобные свойства использовались для сбора росы или направления воды в резервуар для использования в ирригации. Крышка Groasis Waterboxx имеет микроскопическую пирамидальную структуру, основанную на ультрагидрофобных свойствах, которая направляет конденсат и дождевую воду в резервуар для высвобождения к корням растущего растения.

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.

История исследований

Хотя самоочищающееся свойство лотоса, возможно, было известно в Азии задолго до этого (упоминание об эффекте лотоса встречается в «Бхагавад-гите»), его механизм был объяснен лишь в начале 1970-х годов после появления сканирующего электронного микроскопа.