从物理学 角度来看荷叶的防水效应

从物理学角度来看荷叶的自洁效应

莲塘一中汤幼强

在日常生活中，我们常见到这样的一个现象，在雨天里，当雨停了的時候，有些植物显得很湿润，而另一些植物则立刻就干了，而且显得非常干净。在植物中最有名、也可以说是最理想的代表就应该属荷叶了吧。我们知道荷叶即使是从淤泥水中出来，荷叶表面也是非常干净的，在中国文学中人们常常用“出淤泥而不染”的美名来形容人的高风亮节。正因为如此，人们对“荷”情有独钟，在夏日里，尤其在雨后，人们特别喜欢赏荷。

其实从荷叶的物质结构的基本组成成分来看，荷叶是由叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物等组成的，按理来说，这样的构造在自然环境中应该很容易吸附水分或污渍才对。但是荷叶叶面却呈现具有极强的抗水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的"荷叶自洁效应"。为什么荷叶具有一尘不染、优良的防水性能呢？

我们先从荷叶上为什么会形成的小水珠谈起，我们知道物体是由分子组成的，同一种物质的分子之间的相互作用力，叫做内聚力；而不同物质的分子之间的相互作用力，叫做附着力。在内聚力小于附着力的情况下，就会产生“浸润现象”；反之，则会出现“不浸润现象”。荷叶不透水，正是由于荷叶的叶面上有许多的密密麻麻的纤细茸毛，它们每根都很细而又含有蜡质，就像你洗桃子时总是很难把桃子弄湿一样，除非你把桃子上的绒毛搓去。蜡的分子是中性的，它既不带正电，也不带负电，水滴落到含蜡的荷叶面上时，此时水的内聚力大于水对荷叶的附着力，水分子之间的凝聚力要比在不带电荷的蜡面上的附着力强。也就是说荷叶叶面都具有极强的疏水性，所以，水落到蜡面上不是滚掉，就是要聚集起来，而不会湿润整个蜡面。接着是表面张力的作用，物理学知识告诉我们：水的内聚力作用在水表面形成表面张力。

什么是表面张力呢？原来液体与气体相接触时，会形成一个表面层，在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力，它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。处于液体表面层中的分子比液体内部稀疏，所以它们受到指向液体内部的力的作用，使得液体表面层犹如张紧的橡皮膜，有

收缩趋势，看起来像是具有弹性，这种特性从而使液体尽可能地缩小它的表面面积。就如酒杯里，当把酒到得最满时可以明显看见液面的高度要高于杯子口的表面，似乎是堆上去的。随后就是数学的“体积为定值时表面积最小的几何体是球体”的命题：数学告诉我们，球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形体。因此，在表面张力的作用下，液滴总是力图保持球形，这就是我们常见的荷叶上的水滴按近球形的原因。而体积较大且质量较大的水会因为重力、尘埃、油污等的作用，它不一定是正球体而成各类扁状的台体状，然而各种形状不一，但其表面一定都收缩上小下大且有有光滑的边缘的台体。

荷叶之所以具有一尘不染、优良的防水性能的奥秘就在于荷叶叶面的粗糙，通过扫描电子显微镜图像，可以清晰地看到，在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超细结构。荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”，每两个小山包之间的距离约为20－40μm，在山包上面长满了绒毛，在山包顶又长出了一个个馒头状的“碉堡”凸顶。因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触，由于空气层、“山包”状突起和蜡质层的共同托持作用，使得水滴不能渗透，而能自由滚动。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是"荷叶效应"能自洁叶面的奧妙所在。当雨滴接触荷叶表面时，荷叶表面和雨滴同时被周围的空气所包围。这样就有三种物质互相接触，固体，液体和气体。这三种物质的边界作用决定了水滴的形状和液体如何在固体表面散开，也就是如何润湿固体底面。对亲水性的粗糙表面，越粗糙越易被润湿，对疏水性表面，越粗糙越不易被润湿。

粗糙的疏水表面使水不能进入叶子内部，仅在叶面形成水珠，水和叶子表面间的接触面积只有2%-3%，从而降低两者间的摩擦力，使水滴极易从叶面滚落而不沾污叶面，表现出良好自洁性。当液面沾有尘埃等固体微粒时，尘埃能被水润湿，沾污在水滴上，并随水滴的滚落而被洗掉。即使是疏水性污垢，也由于其与叶面上凸起部分的接触面积极小，使水和油污的黏着力大于叶面凸起部分上蜡晶与油污间的黏着力，而易于随水滴的滚落而被洗去。如果表面是光滑的，则灰尘微粒能够更强地贴附在完全光滑的表面而不是水滴表面，滴落的水滴只是把它稍微推到一边。但是，如果表面是粗糙的，则灰尘将会更好的贴附于水滴表面而

不是粗糙表面，然后随着水滴滚落。

以上就是从物理学角度来分析荷叶的防水效应，而实际生活中，荷叶的防水效应应用非常广泛，例如，现在市场已经正在热销的“荷叶效应”乳胶漆、仿荷叶织物、“荷叶效应”防水漆、荷叶玻璃、荷叶防水膜等等应运而生。仿生荷叶的研究与产品的开发将会给纺织、化工等诸多社会行业带来新的发展，为企业产品带来新的竞争力。随着科技的发展，会有越来越多的“荷叶效应”产品出现，这些产品将成为我们生活中的必备品，从而更好地改善我们的生活。从以上分析可以看出，原来从物理学角度来研究荷叶的自洁效应，并对其研究成果进行开发推广、充分加以应用，是很有价值的。