В тази публикация в блога ще разгледаме науката, която обяснява защо водните капки се търкалят по лотосовите листенца и как нанотехнологиите могат да имитира това поведение за различни приложения.
Всички сме били хванати от внезапен порой и дрехите ни са били напоени до капка. Би било чудесно, ако носехме нещо, което не се намокря в дъжда. Всъщност има дрехи, които не се намокрят. Това са дрехи, които са водоотблъскващи. Водоотблъскването означава, че водата се отблъсква от тъканта. Така че, ако ви хване дъждът, те ще отблъснат водата и няма да се намокрите. Принципът на водоотблъскващите тъкани е моделиран по подобие на лотосовото листенце, което е непропускливо за вода.
Венчелистчетата на лотоса не се намокрят. Водните капчици върху лотосовото венчелистче остават във формата на капчици, така че дори ако венчелистчето е леко наклонено, те ще се стичат. Също така, поради формата на капчиците вода, дори ако няколко водни капчици се съберат върху листо, те ще се слеят и ще се стичат надолу по листа, отмивайки мръсотията, която се е утаила върху листа, с водните капчици, а лотосовите венчелистчета сами ще почистят листа. Това е известно като ефект на лотоса. Той е открит за първи път от ботаника проф. Вилхелм Бартлот, който наблюдава лотосовите венчелистчета и установява, че в наномащаб грапавите повърхности са по-суперхидрофобни от гладките повърхности. Суперхидрофобността се отнася до свойството да не харесваш вода.
Това свойство на лотосовите листенца е символично важно за много култури в продължение на хиляди години. Например, лотосовият цвят често се появява в източната философия и религия като символ на чистота и прераждане и е бил почитан заради способността си да остава чист във вода и кал. Много вдъхновени от природата човешки изобретения са имитирали способността на лотосовия цвят да се самопочиства.
Водните капчици са съставени от малки водни молекули. Водната молекула е съставена от два водородни атома, свързани с един кислороден атом. Водородът и кислородът са свързани чрез споделяне на електрони помежду си, но кислородът има по-силно привличане на електрони от водорода, така че електроните са насочени към кислородната молекула и тъй като електроните са отрицателно поляризирани, кислородните атоми имат отрицателни полюси, а водородните атоми имат положителни полюси. Когато една молекула има полюси като магнит, тя се нарича поляризирана.
Поради тази полярност, водните молекули имат силно привличане, а силното привличане дестабилизира водните молекули на повърхността на капката. Водните молекули на повърхността на капката са силно привлечени от същите водни молекули отвътре. От друга страна, във въздуха отвън няма водни молекули, така че няма привличане. Това създава дисбаланс на силите между молекулите и те са нестабилни. Тъй като водните молекули на повърхността са нестабилни, те образуват форма, която минимизира тяхната повърхност. Силата, действаща върху повърхността на водна капка, за да намали нейната повърхност, се нарича повърхностно напрежение.
Формата с най-малка повърхност за същия обем е сфера и обратно, формата с най-голяма повърхност за същия обем е равнина. Следователно, колкото по-голямо е повърхностното напрежение, толкова по-сферична е течността, и колкото по-малко е повърхностното напрежение, толкова по-плоска е течността. Ако повърхността, която капката докосва, е хидрофилен обект, който харесва вода, тогава водните молекули на повърхността са подложени както на привличаща сила от повърхността, така и на привличаща сила от вътрешността на капката. Тъй като водните молекули се издърпват от двете страни, те са стабилизирани и имат малко повърхностно напрежение, което води до сплескана форма. Обратно, ако повърхността, с която капката е в контакт, е суперхидрофобен обект, който не харесва вода, водните молекули на повърхността са нестабилни, точно както водните молекули на повърхността, които са в контакт с въздуха. Следователно, повърхностното напрежение е голямо, което води до сферична форма.
Лотосовото листенце има множество издатини с размер 310 микрометра по повърхността си. Поради това водните капчици, които падат върху него, не могат да проникнат в листа и вместо това се носят върху многобройните издатини, подобно на балон, плаващ по повърхността на водата. Това намалява площта на контакт между водните капчици и лотосовите листенца и увеличава повърхностното напрежение. В действителност, площта на контакт на водна капка с лотосово листенце е много малка, в рамките на 23% от повърхността, която покрива. Поради тази малка повърхност водата е в състояние, подобно на това на въздуха, и поради голямото повърхностно напрежение, водните капчици върху лотосовите листенца запазват формата си на капчици. Следователно, дори ако лотосовите листенца са леко наклонени, водните капчици ще се стичат от тях и няколко капчици върху листа ще се слеят и ще се стичат надолу по листа. Мръсотията, която се утаява върху листа, се отмива с водните капчици и лотосовите листенца се почистват сами.
Ето как водоотблъскващите тъкани имитират лотосовите листенца, които отблъскват водата и не се намокрят. Друг пример за приложението на този принцип в архитектурата е самопочистващата се боя за външни стени. Като имитира суперхидрофобната повърхност на лотосовите листенца, боята предотвратява натрупването на прах и мръсотия по външните стени на сградите. Когато вали, водните капки се стичат по стените и премахват замърсителите по естествен път, което може значително да намали разходите за поддръжка на сградите.
В допълнение към водоотблъскващите материи, има много други продукти, които използват ефекта на лотосовия лист. Този самопочистващ се ефект на лотосовите листенца е използван за разработване на автомобили, които не се нуждаят от миене. Чрез прикрепване на наночастици към повърхността на автомобила, подобно на издатините по повърхността на лотосовите листенца, водните капчици се стичат спонтанно надолу и отмиват мръсотията. Това означава, че не е нужно да се притеснявате за попадане на чужди вещества върху повърхността на автомобила, а ако искате да измиете колата, можете просто да я напръскате с вода без препарат, което е и екологично. Освен това, когато вали, конвенционалните автомобили се замърсяват заради петната, оставени от дъждовната вода, но с покритието от наночастици колата всъщност е по-чиста, когато вали. Покритието на предното стъкло на автомобила с наночастици подобрява видимостта при шофиране в дъжд и елиминира необходимостта от използване на чистачки при скорости под 100 километра в час. Това помага за пестене на енергия и прави шофирането по-безопасно. Твърди се също, че покритието е по-устойчиво на залепване, а цветен прашец и прах се отмиват. Тези нанопокрития вече са комерсиализирани и се използват не само в автомобили, но и в смартфони, тоалетни, огради, прозорци, текстил, очила и много други продукти.
