Šajā emuāra ierakstā mēs izpētīsim zinātnisko pamatojumu tam, kāpēc ūdens pilieni noripo no lotosa ziedlapiņām, un to, kā nanotehnoloģija var atdarināt šo uzvedību dažādos pielietojumos.
Mēs visi esam kādreiz cietuši pēkšņā lietusgāzē, kuras laikā mūsu drēbes ir pilnībā izmirkušas. Būtu lieliski, ja jūs valkātu kaut ko tādu, kas lietū nesamirkst. Patiesībā ir drēbes, kas nesamirkst. Tās ir ūdeni atgrūdošas drēbes. Ūdens atgrūšana nozīmē, ka audums atgrūž ūdeni. Tātad, ja jūs nokļūstat lietū, tās atgrūdīs ūdeni, un jūs nesamirksiet. Ūdens atgrūdošu audumu princips ir veidots pēc lotosa ziedlapas parauga, kas ir ūdensnecaurlaidīga.
Lotosa ziedlapiņas nesamirk. Ūdens pilieni uz lotosa ziedlapas saglabā pilienu formu, tāpēc pat nedaudz sasverot ziedlapu, tie notecēs. Turklāt, ņemot vērā ūdens pilienu formu, pat ja uz lapas sakrājas vairāki ūdens pilieni, tie saplūst un notecēs pa lapu, kopā ar ūdens pilieniem noskalojot uz lapas nosēdušos netīrumus, un lotosa ziedlapiņas pašas to notīrīs. Tas ir pazīstams kā lotosa efekts. To pirmo reizi atklāja botāniķis profesors Vilhelms Bartlots, kurš novēroja lotosa ziedlapiņas un atklāja, ka nanoskalā raupjas virsmas ir superhidrofobiskākas nekā gludas virsmas. Superhidrofobitāte attiecas uz īpašību nepatikt ūdenim.
Šī lotosa ziedlapu īpašība daudzām kultūrām ir bijusi simboliski nozīmīga tūkstošiem gadu. Piemēram, lotosa zieds bieži parādās austrumu filozofijā un reliģijā kā tīrības un atdzimšanas simbols, un tas tika cienīts par spēju palikt tīram ūdenī un dubļos. Daudzi dabas iedvesmoti cilvēku izgudrojumi ir atdarinājuši lotosa zieda spēju pašattīrīties.
Ūdens pilieni sastāv no sīkām ūdens molekulām. Ūdens molekula sastāv no diviem ūdeņraža atomiem, kas saistīti ar vienu skābekļa atomu. Ūdeņradis un skābeklis ir saistīti, daloties elektronos savā starpā, bet skābeklim ir spēcīgāka elektronu pievilkšanas spēja nekā ūdeņradim, tāpēc elektroni ir nobīdīti skābekļa molekulas virzienā, un, tā kā elektroni ir negatīvi polarizēti, skābekļa atomiem ir negatīvie poli, bet ūdeņraža atomiem ir pozitīvie poli. Ja molekulai ir poli kā magnētam, to sauc par polarizētu.
Šīs polaritātes dēļ ūdens molekulām ir spēcīga pievilkšanās, un šī spēcīgā pievilkšanās destabilizē ūdens molekulas uz piliena virsmas. Ūdens molekulas uz piliena virsmas spēcīgi pievelk tās pašas ūdens molekulas piliena iekšpusē. No otras puses, gaisā ārpusē nav ūdens molekulu, tāpēc pievilkšanās nav. Tas rada spēku nelīdzsvarotību starp molekulām, un tās ir nestabilas. Tā kā ūdens molekulas uz virsmas ir nestabilas, tās veido formu, kas samazina to virsmas laukumu. Spēku, kas iedarbojas uz ūdens piliena virsmu, lai samazinātu tā virsmas laukumu, sauc par virsmas spraigumu.
Forma ar mazāko virsmas laukumu vienādam tilpumam ir sfēra, un otrādi, forma ar lielāko virsmas laukumu vienādam tilpumam ir plakne. Tāpēc, jo lielāks ir virsmas spraigums, jo sfēriskāks ir šķidrums, un jo mazāks ir virsmas spraigums, jo plakanāks ir šķidrums. Ja virsma, ar kuru saskaras piliens, ir hidrofils objekts, kam patīk ūdens, tad ūdens molekulas uz virsmas ir pakļautas gan pievilkšanās spēkam no virsmas, gan pievilkšanās spēkam no piliena iekšpuses. Tā kā ūdens molekulas tiek vilktas no abām pusēm, tās ir stabilizētas un tām ir mazs virsmas spraigums, kā rezultātā veidojas saplacināta forma. Un otrādi, ja virsma, ar kuru saskaras piliens, ir superhidrofobisks objekts, kam nepatīk ūdens, ūdens molekulas uz virsmas ir nestabilas, tāpat kā ūdens molekulas uz virsmas, kas saskaras ar gaisu. Tāpēc virsmas spraigums ir liels, kā rezultātā veidojas sfēriska forma.
Lotosa ziedlapiņas virsmā ir daudz 310 mikrometru lielu izciļņu. Tāpēc ūdens pilieni, kas nokrīt uz lotosa ziedlapiņas, nevar iekļūt lapā un tā vietā peld virs daudzajiem izciļņiem, līdzīgi kā balons, kas peld pa ūdens virsmu. Tas samazina ūdens pilienu un lotosa ziedlapiņu saskares laukumu un palielina virsmas spraigumu. Patiesībā ūdens piliena saskares laukums ar lotosa ziedlapiņu ir ļoti mazs, aizņemot tikai 23% no virsmas, ko tas pārklāj. Šīs mazās virsmas dēļ ūdens atrodas līdzīgā stāvoklī kā gaiss, un lielā virsmas spraiguma dēļ ūdens pilieni uz lotosa ziedlapiņām saglabā savu piliena formu. Tāpēc, pat ja lotosa ziedlapiņas ir nedaudz sasvērtas, ūdens pilieni notecēs no ziedlapiņām, un vairāki uz lapas esošie pilieni saplūdīs kopā un notecēs pa lapu. Netīrumi, kas nosēžas uz lapas, tiek noskaloti kopā ar ūdens pilieniem, un lotosa ziedlapiņas attīrās pašas.
Lūk, kā ūdeni atgrūdoši audumi atdarina lotosa ziedlapiņas, kas atgrūž ūdeni un nesamirk. Vēl viens šī principa pielietojuma piemērs arhitektūrā ir pašattīroša ārsienu krāsa. Atdarinot lotosa ziedlapiņu superhidrofobisko virsmu, krāsa novērš putekļu un netīrumu uzkrāšanos uz ēku ārsienām. Kad līst lietus, ūdens pilieni notek pa sienām un dabiski noņem piesārņotājus, kas var ievērojami samazināt ēku uzturēšanas izmaksas.
Papildus ūdeni atgrūdošiem audumiem ir arī daudzi citi produkti, kas izmanto lotosa lapas efektu. Šis lotosa ziedlapu pašattīrīšanās efekts ir izmantots, lai izstrādātu automašīnas, kuras nav jāmazgā. Piestiprinot nanodaļiņas pie automašīnas virsmas, līdzīgi kā izvirzījumus uz lotosa ziedlapu virsmas, ūdens pilieni spontāni plūst uz leju un noskalo netīrumus. Tas nozīmē, ka jums nav jāuztraucas par svešķermeņu nokļūšanu uz automašīnas virsmas, un, ja vēlaties mazgāt automašīnu, varat vienkārši apsmidzināt automašīnu ar ūdeni bez mazgāšanas līdzekļa, kas ir arī videi draudzīgi. Turklāt, kad līst lietus, parastās automašīnas kļūst netīras lietus ūdens atstāto traipu dēļ, bet ar nanodaļiņu pārklājumu automašīna patiesībā ir tīrāka, kad līst lietus. Automašīnas vējstikla pārklājums ar nanodaļiņām uzlabo redzamību, braucot lietū, un novērš nepieciešamību izmantot tīrītājus, braucot ar ātrumu zem 100 kilometriem stundā. Tas palīdz ietaupīt enerģiju un padara braukšanu drošāku. Tiek arī teikts, ka pārklājums ir izturīgāks pret pielipšanu, un ziedputekšņi un putekļi tiek noskaloti. Šie nanopārklājumi jau ir komercializēti un tiek izmantoti ne tikai automašīnās, bet arī viedtālruņos, tualetēs, žogos, logos, tekstilizstrādājumos, brillēs un daudzos citos produktos.
