Підказки природи: ефект лотоса – у високі технології

Листя деяких рослин – приклад ідеальної водовідштовхувальної поверхні, не схильної до забруднення. Цю властивість назвали «ефектом лотоса» – ефект вкрай низької змочуваності поверхні, що зустрічається на листі та пелюстках лотоса, настурції, очерету тощо. Вода, що потрапляє на поверхню, згортається в краплі. При стіканні з листа вода заразом захоплює із собою частинки пилу, тим самим очищаючи рослини. Ефект обумовлений особливостями будови поверхні та її високою гідрофобністю. Пелюстки лотоса покриті мікроскопічними виступами. Крім того, лист захищений восковим шаром, що виробляється у залозах рослини. Схожим чином влаштовані крила метеликів та багатьох інших комах, для яких захист від надлишкової води життєво необхідний: намокнувши, вони втратили б здатність літати. Ефект лотоса відкрив німецький ботанік Вільгельм Бартлотт у 1990-х роках, хоча про властивості листя лотоса відомо давно. Один із практичних напрямів вивчення цього ефекту — створення так званих супергідрофобних матеріалів. За останні роки фізики зробили кілька спроб створити фарбу або плівку, які б працювали так само, як і поверхня листка рослини. Кілька років тому російські та американські вчені вирішили ліквідувати головний недолік існуючих на сьогодні супергідрофобних покриттів — їх недовговічність, схильність до подряпин і пошкоджень. Їм удалося створити матеріал, який можна назвати своєрідним антиподом лотоса.Пластинки металу, оброблені короткими імпульсами надпотужного лазера, починали буквально притягувати воду, завдяки чому рідина могла по них текти не лише вниз, а й угору. Як бонус поверхня будь-якого типу металу ставала вугільно-чорною і починала поглинати весь спектр видимого випромінювання, повідомляють РИА Новости . Після успішних експериментів вчені пішли далі - вони припустили, що їм під силу досягти і зворотного ефекту. Для цього вони перебрали кілька варіантів лазерного гравіювання металу - того, який візерунок виточувався на поверхні листа за допомогою імпульсів світла. В результаті їм вдалося підібрати правильний варіант картинки і перетворити фрагменти заліза, платини та ряду інших металів на кшталт листа лотоса. За словами експериментаторів, дана технологія має масу практичних застосувань у побуті, в промисловості, в науці та медицині. Наприклад, на її основі можна виготовляти стійкі до корозії прилади, сонячні батареї, що самоочищаються, економні і чисті системи каналізації, посуд і т.д. Головною проблемою для комерціалізації цієї технології було те, що лазер гравірував пластини вкрай повільно — для виготовлення металевого «лотоса» площею всього 2,5×2,5 см потрібно близько години роботи лазера. Вчені майже вирішили проблему – прискорити обробку аркуша з будь-якого металу за допомогою надкоротких імпульсів лазера, перетворюючи його на незвичайний матеріал, аналог природному лотосу. Російські фізики створили нову методику захисту обшивки літаків та кузовів машин від зледеніння, навчившись покривати їх поверхню особливим візерунком за допомогою лазера, використовуючи саме ефект лотоса.

У чому полягає ефект лотоса

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

Вступ

Люди завжди запозичували нові технологічні рішення у природи, яка витратила їх розвиток мільйони років еволюції. Квітка лотоса знайома фахівцям з біоніки та нанобіотехнологій завдяки здатності її пелюсток відштовхувати бруд, пил і воду. Ці властивості квітки отримали назву «ефект лотоса». У природі рослини схильні до впливу забруднень різних типів. В основному це неорганічні речовини (пил, сажа), але вони можуть мати і органічне походження (наприклад, суперечки грибків, медяна роса, мікроводорості). Неорганічні речовини безпосередньо надають шкідливий вплив на живу тканину рослин, забиваючи продихи на листі, за допомогою яких вони дихають, що призводить, зокрема, до перегріву рослини під прямими сонячними променями і до підвищення кислотності внутрішнього середовища. Такі органічні частинки, як, наприклад, суперечки грибків, бактерії чи мікроводорості, також шкідливі для рослин, оскільки можуть викликати хвороби та пошкоджувати поверхню листя. Здатність рослин до самоочищення - це витончене рішення природи щодо усунення всіх перерахованих вище проблем. Завдяки ефекту лотоса шкідливі речовини не можуть закріпитися на поверхні рослини. Дощ змиває суперечки, а періоди посухи несподіваним гостям просто не вистачає води, щоб розвиватися. Мета проекту: З'ясувати природу ефекту лотоса досвідченим шляхом, пояснити можливості його застосування, провести експерименти щодо надання різних поверхонь гідрофобних, антикорозійних та протипожежних властивостей. У роботі було проведено велику кількість експериментальних досліджень за допомогою обладнання NanoSchoolBox Nanobionet e.V.Через вимоги науково-дослідної роботи за обсягом тексту, всі фотоілюстрації наведені в додатку. Завдання дослідження:

1. Вивчити історію та літературу, пов'язану з ефектом лотоса.

2. Вивчити ефект лотоса досвідченим шляхом

3. Відтворити ефект лотоса для різних матеріалів

4. Експериментально провести гідрофобізацію різних матеріалів з метою надання їм водовідштовхувальних, протипожежних чи антикорозійних властивостей.

Історія

У середині 70-х років минулого століття німецькими вченими-ботаніками Боннського університету Вільгельмом Бартхлоттом та Крістофом Найнуйсом було відкрито явище самоочищення листя та квіток деяких рослин. Вони пояснили цей факт особливим наноструктурованим станом їхньої поверхні. Згодом це явище було запатентовано і названо на честь найбільш яскравого представника таких рослин – «ефект лотоса».

Квітка лотоса вважається в буддизмі символом чистої чистоти, оскільки відомо, що листя і ніжно-рожеві або синюваті квіти лотоса залишаються навіть у брудній тину водойм бездоганно чистими.

Явище самоочищення детально досліджувалося вченими і дозволило відкрити дивовижні можливості природи захищатися як від бруду, а й від різних мікроорганізмів. Даний ефект спостерігається не тільки у лотоса, але і в інших рослин (листя кактуса, капусти, очерету, водозбору, тюльпана), а також у комах (наприклад, крила бабок та метеликів). Вони наділені природою властивістю захисту від різних забруднень, переважно неорганічного (пил, сажа), і навіть біологічного походження (спори грибків, бактерій, водорості тощо.).

За допомогою електронних мікроскопів дослідниками було виявлено, що листя і квітки деяких рослин виділяють воскоподібну речовину Кутін, що є сумішшю вищих жирних кислот та їх ефірів, які утворюють на поверхні особливу структуру (нанорельєф) у вигляді «шипів».

Ефект лотоса

Взаємодії між твердими тілами та довкіллям відбуваються майже виключно в поверхневих шарах, що справедливо також і для багатьох біологічних систем. Біологічні поверхні, створені мільйони років у результаті еволюції, є максимально оптимізованими мультифункціональними системами. Вони забезпечують механічну стабільність, терморегулювання, контроль водно-сольового обміну тощо. Постійне забруднення листя рослин порушує в них багато біологічних процесів, тому рослини виробили специфічний механізм захисту у вигляді «ефекту лотоса».

Лотос-ефект не є якимось випадковим феноменом, він виник у результаті еволюції та викликаний необхідністю виживання рослин. Він запобігає появі патогенних субстанцій на таких поверхнях: суперечки легко змиваються при кожному дощі. На «оптимізованих» поверхнях (наприклад, листку або квітці лотоса) виявляються супергідрофобні якості, такі, що, наприклад, мед і навіть клей на водній основі не прилипають, а повністю стікають із такої поверхні.

Ступінь зволоження твердого тіла описується за допомогою контактного кута α, що входить у формулу з поверхневою енергією σ на різних міжфазних межах відповідно до закону Касьє: cos α = (σ_т-г - σ_т-ж ) / σ_ж-г, де σ_т-г - "тверде тіло - газ"; σ_т-ж – «тверде тіло – рідина»; σ_ж-г – «рідина – газ».

Нульовий контактний кут забезпечує повне зволоження (супергідрофільна поверхня), у якому крапля води прагне «розтягтися» до стану мономолекулярної плівки лежить на поверхні твердого тіла. Контактний кут 180° вказує на досконалу незмочування (супергідрофобну поверхню), так як крапля стосується поверхні тільки в одній точці.

Крапля води, що потрапила на поверхню листа, видаляє з нього частинку забруднень. При цьому частинки забруднень не проникають у внутрішню частину краплі, а рівномірно розподіляються її поверхнею, т.е. е. навіть гідрофобна субстанція видаляється краплею води з гідрофобної поверхні. При розгляді умов, за яких реалізується ефект лотоса на нанорівні, механізм цього явища стає більш зрозумілим. За допомогою закону Кассье можна пояснити, чому значення контактного кута на поверхні, отже, умова несмачиваемости (самоочищення) можна легко змінити, додавши поверхні необхідний рельєф.

Застосування

Аналогічне явище відбувається з різними видами забруднень та на воскових ворсинках, що покривають листя лотоса. Поверхня зіткнення забруднень з поверхнею листа також вкрай незначна і сили зчеплення між краплею води та часткою бруду виявляються значно вищими, ніж між цією частинкою і восковим шаром листа. У забруднення, тому є дві можливості: або продовжувати нестійко балансувати на шипах, або «злитися» з гладкою рівною поверхнею водної краплі, що рухається, і легко видатися навіть невеликою кількістю води, залишаючи за собою чисту суху поверхню.

Захисні водовідштовхувальні властивості оперення водоплавних птахів, напевно, обумовлені їхньою особливою ребристою структурою, а не наявністю на пір'ї захисних жироподібних речовин. Хоча ці властивості лише доповнюють одна одну.

Відомі своїми можливостями легкого переміщення (ковзання) по поверхні води, водяні клопи-водомірки також використовують це природне явище, так як їх тіло і кінчики ніг покриті волосками, що не змочуються у воді, що забезпечують, на перший погляд, їх настільки дивовижні здібності.

Таким чином, лотос-ефект заснований виключно на відомих фізико-хімічних явищах і не прив'язаний лише до живих систем; в силу цього самоочисні поверхні технічно можна відтворити для різних матеріалів і покриттів.

Останнім часом проводяться інтенсивні дослідження з розробки та виробництва самоочисних або стійких до забруднення виробів та покриттів у різних галузях економіки. При цьому формування заданої наноструктури поверхні може бути виконано за допомогою декількох основних методик:

• створення («креслення») рельєфу лазерним променем чи плазмовим травленням;
• анодне окиснення (алюмінію) з подальшим покриттям спеціальними речовинами;
• надання форми та створення мікрорельєфу гравіюванням;
• покриття поверхні шаром металевих кластерів, комплексами «поверхнево-активна речовина – полімер» або кополімерів, що самоорганізуються в наноструктури;
• нанесення суспензій наночастинок з морфологією, що перешкоджає утворенню агломератів.

Ці види поверхневої обробки можуть бути віднесені до об'єктів чи структур, створених методами нанотехнологій.

Одна з основних проблем, яку ще належить вирішити, полягає в тому, щоб після формування поверхні або нанесені на них частинки, що володіють певним розподілом за розміром та структурою, виявилися стабільними по відношенню до старіння та різних факторів впливу навколишнього середовища. Наприклад, ультрафіолетове випромінювання може. ініціювати окислення покриття, що призводить до гідрофілізації поверхні за рахунок утворення кисневмісних груп.

Вченим вдалося показати, що нанесення суспензій гідрофільних частинок оксиду кремнію розміром кілька нанометрів на тверді керамічні поверхні може призвести до самоорганізації наночастинок.

Грунтуючись на цих та інших принципах, у 1999 р. німецька компанія «Nanogate Technologies GmbH» з Саарбрюккена перемогла в конкурсі на розробку покриття для кераміки «WunderGlass», що самоочищається, оголошеному концерном «Duravit AG» був на виставці CEVISAMA-200. один продукт – покриття для плитки "Sekcid", розроблене фірмою в результаті стратегічного партнерства з іспанським концерном "Torrecid S.A." - одним із світових лідерів у сфері виробництва фритти (керамічних сплавів) та глазурів для керамічної промисловості.

Найбільш широке поширення технології на основі «ефекту лотоса» отримали в автомобільній промисловості при нанесенні лакофарбових покриттів;

Зовнішній вигляд, якість та довговічність покриття автомобіля, безперечно, є відображенням технічного стану всього транспортного засобу. Завдяки широкому діапазону властивостей та ефектів, що досягаються за допомогою нанотехнологій, у тому числі «ефекту лотоса», в даний час є можливість для оновлення та захисту зовнішнього вигляду автомобілів за відносно низьких витрат, що знижує витрати при експлуатації та підвищує ринкову вартість при перепродажі.

Німецька фірма «Дуалес Систем Дойчланд АГ» однією з перших представила на всесвітній виставці «ЕКСПО-2000», що проходила в Ганновері, нову фарбу для автомобілів, що володіє самоочисним ефектом, для їх миття (навіть після сильного забруднення) їх просто достатньо полити водою.

Понад те, нині є розробки з урахуванням нанотехнологій, дозволяють взагалі обходитися без води. На забруднені поверхні автомобіля з балона розпорошується спеціальний склад, який потім розтирається серветкою або рушником. В результаті не тільки видаляються забруднення, а й здійснюється нанесення захисного покриття, що самоочищається, що залишається на поверхні більше півроку.

Починаючи з 2003 року легкові автомобілі Mercedes-Benz серій E, S, CL, SL і SLK покриті прозорим лаком з нанорозмірними (близько 20 нм) керамічними частинками, створеними на основі нанотехнології, які в процесі висушування в лакофарбовому цеху твердіють, утворюючи покриття надзвичайно щільну сітчасту структуру. Завдяки цьому також підвищується міцність (зносостійкість) лаку та забезпечується більш інтенсивний та довговічний блиск покриття.Автомобілі Mercedes-Benz з лакофарбовим покриттям на основі нанотехнології відзначені нагородою на спеціалізованій виставці «Automechanika», як «автомобілі, що легко миються 2004 року».

В даний час у галузі розробки та застосування нанотехнологічної продукції для автомобільної промисловості основна конкуренція розгорнулася між компаніями PPG, Dupont та Nanovere, а також BASF. Так, ще 2002 року американська компанія PPG Industries Inc. представила на автомобільному ринку перше керамічне покриття, що самоочищається – CeramiClear ® Clearcoat. Для поверхні, що самоочищається, фірма використовує діоксид титану (TiO₂). Його властивості такі, що покриття з цієї речовини не тільки окислює і розщеплює бруд, але також нейтралізує різні запахи і вбиває мікроорганізми. Насправді це призводить до того, що зносостійкість лакового покриття зростає – виявилося, що покриті лаком нового типу машини зберігають блиск на 40 % довше, ніж пофарбовані звичайною фарбою. Такому висновку передували чотири роки експериментів та 150 пофарбованих новою фарбою «тестових» автомобілів.

В даний час компанія PPG працює над лакофарбовим нанопокриттям, що самовідновлюється, що дозволяє здійснювати «саморемонт» подряпин і дрібних потертостей, що виникають при повсякденній експлуатації автомобіля.

Наприклад, захисна поліроль «Pikarain», розроблена в 2008 році японськими вченими та представлена ​​на ринку компанією «Coralco., ltd», захищає автомобіль, типу Volkswagen Polo, від подряпин під час миття, відновлює та зберігає яскравість та насиченість кольору кузова.На поверхні кузова поліроль утворює захисну склоподібну плівку, яка надійно витримує дію різних кислот, бруду і має водовідштовхувальні властивості («ефектом лотоса»).

Гідрофобне покриття для скління автомобіля у вигляді плівок вже використовується в автопромі під час виробництва серійних машин – воно наносилося на бічні стекла Nissan Terrano II. Подібне покриття, хоча не створювало повноцінного водовідштовхувального ефекту, але помітно зменшувало пляму контакту поверхні з краплями води, завдяки чому під час дощу скло залишалося досить прозорим.

В автомобілебудуванні використовується механізм самоочищення скла автомобіля, обробленого спеціальними наноплівками або нанополіролями. Поверхня скла модифікована таким чином, що крапля води котиться нею, збираючи забруднення, тоді як на гладкій поверхні, навпаки, крапля води, сповзаючи, залишає бруд на місці.

При застосуванні таких покриттів дощ, сніг і бруд не утримуються на поверхні скла, а відносяться зустрічним потоком повітря, а бітум, що потрапили на скло, рослинні смоли, масляна плівка, прилиплі комахи і т.д. легко видаляються двірниками - навіть у найважчих випадках. Вода, сніг та бруд, які летять з-під коліс зустрічного транспорту, потрапляючи на бічні стекла, менше скорочують бічний огляд. Нічна видимість стає значно кращою, а зустрічний транспорт засліплює набагато менше. В результаті водовідштовхувального ефекту та прозорішого скла підвищується активна безпека на дорозі. Одночасно знижуються витрати на нові склоочисники, тому що в середньому вони використовуються на 50% рідше.

На закінчення слід зазначити, що в даний час на основі «ефекту лотоса» розроблений ряд спеціальних матеріалів і виробів, що мають самоочисні та інші унікальні властивості, наприклад, гідрофобні фасадні фарби, антивандальні покриття поїздів, дзеркала і кераміка, що незапітніють, малозабруднений бактерицидний текстиль плащі та парасольки, водовідштовхувальні спортивні купальні костюми, а також багато іншого. Все це свідчить про добрі перспективи застосування нанотехнологій у багатьох сферах діяльності.

Досвід із різними видами листя кімнатних рослин.

Об'єктом дослідження було свіже листя рослин шкільного кабінету фізики: молочай, шефлера, герань, традисканція та колеус (з найбільш ворсистим листям). Ми наносили з піпетки крапельку водопровідної води на поверхню аркуша і фотографували аркуш із краплею за допомогою фотоапарата та за допомогою документ – камери. Для порівняння ефекту лотоса на різних типах листя ми розташували їх на міліметровому папері. Порівнюючи фотографії, ми бачимо, що найбільш сильно ефект помітний на «пухнастих» листі; тобто. що більше висота і менше діаметр ворсинки, то більше вписувалося «ефект лотоса».

В результаті ми з'ясували, що саме за рахунок такої будови досягається «ефект лотоса» і крапля води скочується з поверхні листка. В результаті на основі знань, отриманих у ході дослідження, у майбутньому ми хотіли б створити щось нове або вдосконалити вже існуючі проекти та винаходи на таку саму тему.

Потім провів аналогічні досліди з різними типами поверхонь: бетон, дерев'яна поверхня, папір різних типів, тканини різних типів.Далі я спробував відтворити ефект лотоса в лабораторних умовах. Я по черзі наносив аерозоль із спеціальним покриттям для дерева та каменю з поверхнево-активною речовиною на різні види поверхонь, потім за допомогою піпетки наносив краплю води на них та спостерігав за ефектом.

Після цього всі ці поверхні були оброблені гідрофобним покриттям і ще раз досліджені на форму краплі. Для цього я наніс спеціальний гідрофобний спрей на шматочки тканини і вирішив простежити, як змінювалася здатність змочування тканинної поверхні, залежно від того, чи на неї був нанесений гідрофобний шар чи ні.

Результати експерименту:

• Гідрофільні волокна на поверхні листя забезпечує її змочуваність, яка тим краще, чим більш шершава поверхні;
• При пошкодженні поверхні листа вона втрачає водовідштовхувальні властивості;
• Під дією сил поверхневого натягу вода прагне прийняти кулясту форму, оскільки така форма найбільш вигідна енергетично - при мінімальній площі поверхні куля має максимальний об'єм;
• Обробка поверхні антикорозійним аерозолем із наночастинками значно збільшує міцність поверхні (подряпини практично непомітні);
• При впливі полум'я на поверхню оброблену поверхню (папір) починає виділятися інертний газ (азот), і просочений матеріал охоплюється без появи вогню, на відміну від непросоченого.

Висновок

Насамкінець я можу сказати, що ефект лотоса - це дуже корисна і цікава властивість матеріалів, яку подарувала нам природа.Людство вже знайшло йому застосування якоюсь мірою, але я вірю, що скоро ми зможемо використати цей ефект не тільки як захист від води або бруду, але і як захист від істотніших явищ навколишнього середовища.

На прикладах дослідів я показав, як цей ефект діє у природі, і навіть, як ми можемо відтворити їх у штучних умовах для потреб.

Список литературы

1. Балабанов, В.І. Нанотехнології. Наука майбутнього. М., Ексмо, 2009. - 248 с. (ISBN 978-5-699-30976-4).
2. Aryeh Ben-Na'im Hydropobic Interaction Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X).
3. Cassie A.B.D., S. Baxter, Trans. Faraday Soc., 1944, 40, 546.
4. UV-Driven Reversible Switching of Roselike Vanadium Oxide Film між Superhydrophobicity і Superhydrophilicity Ho Sun Lim, Donghoon Kwak, Dong Yun Lee, Seung Goo Lee, і Kilwon Cho J. Am. Chem. Soc.; 2007; 129(14) pp 4128 - 4129; (Communication) DOI:10.1021/ja0692579.

Програми

Досліди з необробленими тканинами (шовк, льон, бавовна)

Досліди з обробленими тканинами (краще вбирав воду бавовняний відрізок тканини, який після обробки не вбирає різні види рідин)

Аркуш паперу, з нанесеним тонким шаром пластиліну (вода набуває форми кулі)

Аркуш паперу, одна половина якого оброблена протипожежним аерозолем

Частина паперу, не оброблена аерозолем, повністю вигоряє рівно до кордону, а оброблена частина обвуглюється.

Обробка поверхні (МДФ панель).

Оброблена частина схильна до подряпин.

З поверхні, обробленої антикорозійним складом подряпини, важко нанести і маркер, нанесений по подряпинах легко видаляється за допомогою води та мила.

Обробка поверхні гідрофобізуючим складом ПВА (на поверхні скла видно малюнок нанесений складом і не запітнілий)