跳到主要內容

科技大觀園商標

分類項目
Menu

蓮花的自潔功能與奈米科技的應用

91/09/05 瀏覽次數 21833
蓮是生於沼澤的宿根草本植物,通常在夏季開花,色澤清麗,花葉俱香,生污泥之中,而開潔淨之花。蓮花為中國十大名花之一,又因其退居池水,不與百花爭妍,出污泥而不染,素有花中君子的雅譽。蓮花為什麼會出污泥而不染呢?

出污泥而不染的蓮花

唐朝鄭允瑞的〈詠蓮〉說:「本無塵土氣,自在水雲鄉;楚楚淨如拭,亭亭生妙香」。宋朝周敦頤也在〈愛蓮說〉中寫道:「水陸草木之花,可愛者甚蕃。…。予獨愛蓮之出淤泥而不染,濯清漣而不妖,中通外直,不蔓不枝」。蓮花真的出污泥而不染嗎?我們將透過以下的實驗來證實。

德國教授巴斯洛得(W. Barthlott)利用人造的灰塵粒子污染赫蕉、倪藤、玉蘭、林山毛櫸、蓮花、芋、甘藍及Mutisia decurrens等八種植物的葉面,然後用人造雨清洗兩分鐘,最後將葉面傾斜15度,使雨水滑落,觀察葉子表面灰塵粒子殘留的狀況。實驗發現,前四種植物之葉面,所殘留的污染物高達40%以上;而蓮花等後四種植物,污染物殘餘的比例皆小於5%。因此證明,蓮花真的具有出污泥不染的能力。而這種不需人工清洗,只需經由天然的雨水沖刷,就可保持表面的清潔,我們稱其具有自潔功能,其中又以蓮花為代表,稱為「蓮花效應」。

蓮花的葉子從巨觀上來看,或許和其他植物的葉子,沒有特別不同的地方,但是我們透過一些實驗,從微觀的角度來觀察蓮葉的表面物理結構及化學組成。

氣─固─液界面的三角關係

將上述八種不同植物,利用水在他們的葉子上做接觸角的分析實驗。結果發現,實驗的數據分為兩個區域,其中赫蕉、倪藤、玉蘭、林山毛櫸等植物的接觸角介於28~72度,而蓮花、芋、甘藍及Mutisia decurrens等植物,接觸角介於130~160度之間。接觸角的大小代表甚麼意義?為什麼這八種植物的接觸角會有如此的差別?以下簡單說明接觸角所代表的物理意義。

當液體潤濕固體表面時,原本氣─固的界面被液─固的界面所取代,而氣─固與液─固之界面張力的差,稱之為「濕潤張力」。當氣─固的界面張力大於液─固的界面張力時,也就是固體和液體間的吸引力大於固體和氣體間的吸引力時,固體和氣體間的界面張力會將液─固界面拉伸。換句話說,被濕潤的固體表面有較低的界面張力,因此液體會在固體表面擴張。

當液體滴在固體表面上時,固體表面和液滴切線的夾角,就是所謂的接觸角。假使接觸角小,如水滴在玻璃基板上的情形,表示液體易濕潤固體表面。但是,如果接觸角像水銀液滴在玻璃基板上那麼大,代表液體不易濕潤此表面。而濕潤張力和接觸角的關係,可以用楊格方程式(Young's equation)表示:氣─固與液─固界面張力的差等於氣─液界面張力乘上接觸角的餘弦函數。考慮兩種極端的情形,當接觸角為0度時,表示液體能完全的濕潤於固體表面;當接觸角為180度時,代表液體完全不能濕潤於固體表面。

從固─氣的界面張力觀點來看,當接觸角越小,餘弦函數(cosθ)會越大,固─氣的界面張力也會越大,此時表示固體表面較易被濕潤。而當接觸角越大,固─氣的界面張力越低(如鐵氟龍),代表越不易被濕潤。

現在,我們回到植物葉面的接觸角實驗,水滴在蓮葉表面的接觸角很大,代表蓮葉與空氣間的界面張力很低,水滴不易濕潤其表面。然而,界面張力低和自潔功能有甚麼關係?固體的界面張力高低,又受到甚麼因素影響?而蓮葉的低界面張力從何而來?這些都仍困擾著我們,所以我們必須進一步了解蓮葉的化學組成及物理結構。

蓮葉的微觀世界

蓮葉表面的化學組成為臘。水在一般石臘上的接觸角約110度,這是因為臘為飽和的碳氫化合物,所以極性較低,有較低的表面能。但是,我們由接觸角的實驗結果發現,水在蓮葉上的接觸角高達160度。所以除了臘的組成之外,應該還有其他因素,使水在蓮葉上的接觸角高達160度。

我們由掃描式電子顯微鏡觀察這八種植物葉子表面發現,接觸角小於100度的葉子,表面較為平坦,而接觸角大於130度的葉子,葉面上除了大的突出物外,還有一些類似纖毛的結構,由圖中的尺規來看,這些纖毛結構的尺寸約100~200奈米(nm)左右。另外,Mutisia decurrens在葉面上雖然沒有這種纖毛結構,但是其表面也較為粗糙。

通常表面變得較粗糙時,會使液體在表面上的接觸角變大,由於蓮葉的表面為臘的疏水性結構,接觸角原本就大於90度,因此液體不會穿透至葉面的孔隙中,而會停留在葉子的表面。同時,由於表面的粗糙度,使液體所接觸的表面,不是完全只有葉面,而是一種混合界面–部分為葉面,部分為氣體。因為液滴與粗糙孔隙間的空氣無黏著濕潤的現象,因此接觸角變大,使水在蓮葉上的接觸角高達160度,水滴很難停留其上。這就是蘇東坡在〈永遇樂〉中所描述的「圓荷瀉露」景象–小水滴在蓮葉上滾動,慢慢聚集成大水滴,等到蓮葉承受不住了,水滴就從葉上滑落。不僅水滴無法停留,甚至連膠也很難附著。

同樣地,當灰塵附著於蓮葉表面上時,因為蓮葉表面的纖毛結構,使灰塵和蓮葉的接觸面積減少,因此減少了灰塵和蓮葉間的吸附力量。而當水滴由葉面上滾過時,由於灰塵和水滴間的接觸面積大,灰塵粒子和水滴間有較強的吸附力,所以很容易就被水滴帶走。這就是蓮花為何能出污泥而不染了。由於蓮葉表面同時擁有這種奈米尺寸的物理結構與疏水性的化學組成,因此才具有自潔的功能。

蓮花這種自潔的功能,不需人工清洗就可保持表面的清潔,所以使得蓮花一直給人們有潔淨的感覺。如果我們可以將這種原理,運用在如建築物的外牆,或是汽車的烤漆等表面上,不但可減少清潔用水之污染,還可隨時保持這些表面的清潔。

目前一般所使用之塗料,在塗裝後,表面雖可具有疏水的性質,但是灰塵沾上後,水滴只能將灰塵移動,無法清除,所以無自潔的效果。因此必須開發出低表面能、疏水性且具有微細纖毛結構的塗裝表面,才可如蓮葉般具有自潔的效果。

師法自然–奈米科技的應用

所謂奈米科技是指研究奈米級大小的技術與產品,是極微小化的科技,所涵蓋之領域非常廣泛,包括機械、電機、材料、光學、量測、生化醫藥及原子物理等。

奈米是指十億分之一公尺。地球直徑的十億分之一,約只有一顆彈珠的大小。全世界先進國家近年來均投入大量經費在這跨領域的研究之中。

自然界其實蘊藏著許多奈米科技的概念。除了蓮花的疏水性奈米尺寸的纖毛,具有自潔的功能;鯨魚及海豚的皮膚擁有奈米尺寸的孔洞,也有自潔的功能,不但可以防止有害微生物的附著,還可減少游行所產生的摩擦力。另外,像昆蟲在飛行時,必須保持翅膀的平衡,如果有一點點的灰塵沾上,都會造成飛行上的問題。因此,有些翅膀較長的昆蟲,其翅膀上也有奈米尺寸的結構,具有自潔的效果。還有蛾,眼睛具有奈米尺寸的纖毛,可減少光的反射,飛行時不易被敵人發現;此外,還有許許多多的例子,科學家們也已經運用這些原理,發展出許多不同的產品。

奈米科技其實並不是一種新的科技,它沒有我們想像中的那麼遙不可及。目前工研院化工所,正致力於奈米科技在傳統產業上的應用,以提高傳統產業的附加價值。例如,以奈米粉體作為電極材料,具有高的儲電能量及壽命;奈米的金屬觸媒可增加反應活性、去除毒性物質及減少環境污染;具有奈米結構的的鋼鐵材料可以提升強度及成型性,使鋼鐵材料具有更好的性能;在基板材料中添加機能性奈米玻璃粉,可以提升印刷電路板的熱性質及電性質;添加奈米級的碳酸鈣於塑料中,可提高耐衝擊強度,添加於塗料中,可改進流變性;在高分子材料中添加奈米級無機材料,可增加機械強度、熱性質、光學性質、阻氣性質、耐化性……等;可錄式光記錄媒體運用奈米技術,可藉由雷射光束的照射加熱,在記錄膜層產生奈米結構變化,使具有光全域、高密度、高倍速、高耐光性、高耐候性及低成本……等優點。

模仿蓮葉自潔的功能,我們可以應用表面奈米結構之技術,開發出低表面能、自潔、抗污、防菌、高機械強度、高接著力、及抗光反射性...等奈米機能性的塗料。

隨著電子、資訊產業的蓬勃發展,也帶動了醫療、航太等產業,逐漸開發特殊機能性塗料。未來塗料除需具有傳統之防鏽、防霉、絕緣、保護及美觀……等功能外,還需包括光學、電學及自潔等特殊機能。而結合奈米科技觀念,使塗料具有自潔、光學之抗反射功能,提升產品的附加價值,不僅可以增加產業競爭力,並且也可以符合環保需求。

:本網頁照片出自Barthlott W. and C. Neinhuis(1997)Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces, Planta, 202, 1-8.
OPEN
回頂部