V tomto blogovom príspevku preskúmame vedu, ktorá stojí za tým, prečo kvapky vody stekajú z lotosových lístkov a ako môže nanotechnológia napodobniť toto správanie pre rôzne aplikácie.
Všetkých nás zastihol náhly lejak a naše oblečenie bolo premočené. Bolo by skvelé, keby ste mali na sebe niečo, čo by v daždi nepremoklo. V skutočnosti existuje oblečenie, ktoré nepremokne. Ide o oblečenie, ktoré je vodeodolné. Vodoodpudivosť znamená, že voda je odpudzovaná z látky. Ak vás teda zastihne dážď, odpudia vodu a vy nezmoknete. Princíp vodoodpudivých látok je modelovaný podľa lupeňa lotosu, ktorý neprepúšťa vodu.
Okvetné lístky lotosu nezmoknú. Kvapôčky vody na lotosovom lupene zostávajú v tvare kvapôčok, takže aj keď je okvetný lístok mierne naklonený, stečú. Vďaka kvapkovitému tvaru kvapôčok vody sa aj keď sa na liste zhromaždí niekoľko kvapôčok vody, zlúčia a stečú po liste, pričom spolu s kvapôčkami vody zmyjú nečistoty, ktoré sa na liste usadili, a lotosové okvetné lístky list samy vyčistia. Toto je známe ako lotosový efekt. Prvýkrát ho objavil botanik profesor Wilhelm Barthlott, ktorý pozoroval lotosové okvetné lístky a zistil, že v nanorozmeroch sú drsné povrchy viac superhydrofóbne ako hladké povrchy. Superhydrofóbnosť sa vzťahuje na vlastnosť, že človek nemá rád vodu.
Táto vlastnosť okvetných lístkov lotosu je symbolicky dôležitá pre mnohé kultúry už tisíce rokov. Napríklad lotosový kvet sa často objavuje vo východnej filozofii a náboženstve ako symbol čistoty a znovuzrodenia a bol uctievaný pre svoju schopnosť zostať čistý vo vode a bahne. Mnohé ľudské vynálezy inšpirované prírodou napodobňovali schopnosť lotosového kvetu samočistiť.
Kvapky vody sa skladajú z malých molekúl vody. Molekula vody sa skladá z dvoch atómov vodíka viazaných na jeden atóm kyslíka. Vodík a kyslík sú viazané vzájomným zdieľaním elektrónov, ale kyslík pôsobí na elektróny silnejšie ako vodík, takže elektróny sú vychýlené smerom k molekule kyslíka, a keďže elektróny sú negatívne polarizované, atómy kyslíka majú záporné póly a atómy vodíka majú kladné póly. Keď má molekula póly ako magnet, nazýva sa polarizovaná.
Kvôli tejto polarite majú molekuly vody silnú príťažlivosť a silná príťažlivosť destabilizuje molekuly vody na povrchu kvapôčky. Molekuly vody na povrchu kvapôčky sú silne priťahované rovnakými molekulami vody vo vnútri. Na druhej strane, vo vzduchu vonku nie sú žiadne molekuly vody, takže žiadna príťažlivosť. To vytvára nerovnováhu síl medzi molekulami a tie sú nestabilné. Pretože molekuly vody na povrchu sú nestabilné, vytvárajú tvar, ktorý minimalizuje ich povrch. Sila pôsobiaca na povrch kvapky vody s cieľom zmenšiť jej povrch sa nazýva povrchové napätie.
Tvar s najmenším povrchom pre rovnaký objem je guľa a naopak, tvar s najväčším povrchom pre rovnaký objem je rovina. Preto čím väčšie je povrchové napätie, tým je kvapalina sférickejšia a čím menšie je povrchové napätie, tým je kvapalina plochejšia. Ak je povrch, ktorého sa kvapka dotýka, hydrofilný objekt, ktorý má rád vodu, potom sú molekuly vody na povrchu vystavené príťažlivej sile z povrchu aj príťažlivej sile z vnútra kvapôčky. Pretože molekuly vody sú ťahané z oboch strán, sú stabilizované a majú malé povrchové napätie, čo vedie k sploštenému tvaru. Naopak, ak je povrch, s ktorým je kvapka v kontakte, superhydrofóbny objekt, ktorý nemá rád vodu, molekuly vody na povrchu sú nestabilné, rovnako ako molekuly vody na povrchu v kontakte so vzduchom. Preto je povrchové napätie veľké, výsledkom čoho je guľovitý tvar.
Okvetný lístok lotosu má na svojom povrchu početné 310 mikrometrové hrbolčeky. Z tohto dôvodu kvapky vody, ktoré padajú na lupeň lotosu, nemôžu preniknúť do listu a namiesto toho plávajú na vrchole mnohých hrbov, podobne ako balón plávajúci na hladine vody. Tým sa zmenšuje kontaktná plocha medzi kvapôčkami vody a lupeňmi lotosu a zvyšuje sa povrchové napätie. V skutočnosti je kontaktná plocha kvapôčky vody s lupienkom lotosu veľmi malá, do 23 % povrchu, ktorý pokrýva. Kvôli tomuto malému povrchu je voda v podobnom stave ako vzduch a kvôli veľkému povrchovému napätiu si kvapky vody na lupienkoch lotosu zachovávajú svoj kvapôčkový tvar. Preto, aj keď sú lupienky lotosu mierne naklonené, kvapky vody stekajú z lupeňov a niekoľko kvapiek na liste sa spojí a steká po liste. Nečistoty, ktoré sa usadzujú na liste, sa zmývajú kvapkami vody a lupene lotosu sa čistia samy.
Vodoodpudivé látky tak napodobňujú lupienky lotosu, ktoré odpudzujú vodu a nepremoknú. Ďalším príkladom uplatnenia tohto princípu v architektúre je samočistiaci náter vonkajších stien. Napodobňovaním superhydrofóbneho povrchu lotosových lístkov farba zabraňuje hromadeniu prachu a nečistôt na vonkajších stenách budov. Keď prší, kvapky vody stekajú po stenách a prirodzene odstraňujú nečistoty, čo môže výrazne znížiť náklady na údržbu budov.
Okrem vodeodolných tkanín existuje mnoho ďalších produktov, ktoré využívajú efekt lotosového listu. Tento samočistiaci efekt lotosových okvetných lístkov sa využil na vývoj automobilov, ktoré nie je potrebné umývať. Pripojením nanočastíc k povrchu auta, podobne ako výčnelky na povrchu lotosových okvetných lístkov, kvapky vody spontánne stekajú a zmývajú nečistoty. To znamená, že sa nemusíte obávať, že sa na povrch auta dostanú cudzie látky, a ak chcete auto umyť, môžete ho jednoducho postriekať vodou bez čistiaceho prostriedku, čo je tiež ekologické. Okrem toho sa bežné autá za dažďa zašpinia kvôli škvrnám, ktoré zanecháva dažďová voda, ale s nanočasticovým povlakom je auto v skutočnosti čistejšie, keď prší. Povlak čelného skla auta nanočasticami zlepšuje viditeľnosť pri jazde v daždi a eliminuje potrebu používať stierače pri rýchlostiach pod 100 kilometrov za hodinu. To pomáha šetriť energiu a zvyšuje bezpečnosť jazdy. Povlak je tiež údajne odolnejší voči prilepeniu a peľ a prach sa zmyjú. Tieto nano-povlaky sú už komerčne dostupné a používajú sa nielen v autách, ale aj v smartfónoch, toaletách, plotoch, toaletách, oknách, textíliách, okuliaroch a mnohých ďalších produktoch.
