荷叶效应

近30多年来,德国科学家通过扫描电镜和原子力显微镜对荷叶等2万种植物的叶面微观结构进行观察，揭示了荷叶拒水自洁的原理,并申请了专利。

根据荷叶效应(Lotus-effect)原理，德国科学家已经研制成功具有拒水自洁的建筑物表面涂料，而且从1999年开始上市销售。

具有同样性能的屋瓦也于2000年底上市销售。

具有荷叶效应的服装也正在研制中[1]。

由于荷叶效应具有广阔的应用前景,并具有很高的商业价值，所以关键技术和原理都申请了专利，并严格保密。

本文就荷叶效应的原理进行比较深入的研究,并探讨其在拒水织物上的应用。

1. 荷叶表面特性
荷叶的表面具有双微观结构，一方面是由细胞组成的乳瘤形成的表面微观结构；另一方面是由表面蜡晶体形成的毛茸纳米结构。

乳瘤的直径为5～ 15μm,高度为1～ 20μm [2]。

荷叶效应的秘密主要在于它的微观结构和纳米结构，而不在于它的化学成分。

Holloway 于1994年对荷叶等植物的表面化学成分进行了分析。

所有植物表面都有一层表皮，表皮将植物与周围环境隔开。

所有植物的表皮主要成分都是埋置于多元酯母体内的可溶性油脂，因此,植物的表皮都具有一定的拒水性。

经过对2万种植物表面进行分析后发现，具有光滑表面的植物都没有拒水自洁的功能，而具有粗糙表面的植物，都有一定的拒水作用。

在所有的植物中，荷叶的拒水自洁作用最强,水在其表面的接触角达到160.4°。

除了荷叶外，芋头叶和大头菜叶的拒水自洁作用也很强，水在其上的接触角分别达到160.3°和159.7°[3]。

2. 荷叶效应的物理基础
2.1 接触角与液滴形状的描述
接触角是指水滴在与固体接触时，接触处的切线与固体表面所成的角，如图3所示当这个接触角不小于 150°时，该固体表面可以认为是超疏水表面，见图（4）
固体表面的液滴形状可以用 Young -Laplace 公式描述: 1211γ⎛⎫∆=+ ⎪⎝⎭p R R (1)
式( 1) 中∆p 是液滴表面的压强，γ为水的表面张力，1R 和2R 为液滴某一点的两个主曲率半径． 对于轴对称液滴，只需取出液滴沿固体平面垂直轴的一个截面进行研究． 重力场中的液滴表面某一点的压强差由由两部分组成: 一部分是高为1z 处（P 点）液体的压强
()1∆=∆z p p gz ，∆p 为液面两相的密度差；
另一部分式液滴顶部（图3中O 点）的压强0∆p 。

由轴对称条件可知，123==R R R ，因此002/γ∆=p R 。

因此由压强平衡0∆=∆+∆z p p p 以及几何关系21sin φ=R x 可以整理到
图1 图2
()11101sin 2φγγρ⎛⎫+=+∆ ⎪⎝⎭gz R x R (2)
其中1x 、1z 为图4中相应坐标,g 为重力加速度，φ为过曲线上某一点的切线的斜率值。

式
（2）是对液滴形状进行拟合的理论基础[4]。

2.2 液滴形成的状态:Wenzel 态和 Cassie 态
为了描述粗糙表面上的液滴的接触角，R.Wen-zel 和 A.Cassie 分别提出了两种液滴和表面接触的模型。

R.Wen-zel 认为液滴将粗糙固体表面所有凹凸处均填满，如图（5）所示；而
A.Cassie 认为在液滴与表面接触形成三相接触，在固体表面的凹陷处填充少量的空气，见图
（6）
事实上，H.Kusumaatmaja 等通过在超疏水表面研究液滴的蒸发凝结过程得出结论:
Wenzel 态和Cassie 态实际上是液滴在不同初始条件下所达到的不同亚稳态；从一种态变化至另一种态需要越过很大的势垒，液滴在该过程中会自发碎裂，因此，改变液滴的形成方式，可以改变其在粗糙固体表面的状态，从而改变固体对于液滴的润湿性能。

2.3 自清洁效应
自清洁效应实际上是超疏水表面的动态润湿行为。

当水滴在超疏水表面运动时，其一定处于 Cassie 态（在 Cassie 态下，水滴与固体表面接触的表观面积中有很大一部分实际上是与空气直接相接触，因而当水滴发生运动时，摩擦阻力相对较小）。

此外，水滴的表面张力使得其形状接近于球体，因此水滴在超疏水表面上的运动类似于球体的滚动。

当水滴遇到尺寸相对其自身直径较小的杂质时，其对于杂质的粘附作用（表面张力） 远大于固体表面对该杂质的粘附作用，于是可以将杂质吸附于液体表面并逐渐将其包裹在液滴内部，使之随液滴的运动一起运动（见图7），从而实现了杂质的清除即自清洁效应[5]．
植物表皮上存在的微尘废屑，其尺寸一般比表皮的蜡晶体微结构大，所以只落在表面乳瘤的顶部，接触面积很小。

由于大多数微尘废屑比表皮蜡晶体更易湿润，当水滴在其表面滚动时，它们就粘在了水珠的表面。

微尘废屑和水珠的粘合力比它们与荷叶表面的粘合力大，所以它们被水珠卷走。

对于非常光滑的表面，液滴的接触角比较小，液滴滚动比较难，而且微尘废屑与表面的接触面积大，粘合牢固，水滴经过后，只是从水滴的前端移动到了水滴的后部，但仍然粘在固体的表面上,疏水颗粒更易粘在这样的表面上。

图3 图4
图5 图6
图7
3.荷叶效应在拒水织物上的应用
根据以上讨论的结果，拒水自洁表面必须具有如下的条件[6]：
（1）表面材料必须拒水，即水在其表面的接触角必须大于90°。

（2）表面必须是粗糙的，而且粗糙必须是纳米水平或接近纳米水平。

从总体上看，没有一种纤维的接触角大于90°。

所以可以说,常用纺织纤维都不具有拒水能力。

当然,更不具有拒油的能力。

通过研究荷叶效应的拒水自洁原理可知，具有高度拒水自洁的织物必须具备如下条件:
（1）首先应使纤维表面具有基本的拒水性能(即水在其表面的接触角大于90°)。

对于这一步,可以通过纳米技术、等离子处理技术和涂层浸轧技术达到。

（2）要使织物具有粗糙的表面。

虽然织物表面本身是非常粗糙的,但这种粗糙结构是以纤维为最小单位，远大于纳米结构的要求。

拒水自洁织物表面的粗糙应是纤维表面的粗糙，该粗糙应达到纳米级水平。

参考文献
[1] Wilhelm Barthlott,Christoph Neinhuis,l'effet lotus: suraces autonettoyantes selon l'exemple de
la nature,Interational Textile Bulletin,2001,(1): 8～12.
[2] Holloway PJ.Plant cuticles: physicochemical characterisics and biosynthesis. Air pollution and
leaf cuticle. Springer,Berlin,1994,1～13.
[3] Wenxel R N. Resitance of Solid Surfaces to Wetting by Water.Ind.Eng.Chem.1936,28: 988～994.
[4] amai Y,Aratani K.Experimental Study of the Relation between Contact Angle and Surface
Roughness, J. Phs. Chem.,1972,76: 3267～3271.
[5] A.B.D.Cassie.Contact Angles,Dis Faraday Soc.1948,(3): 11～16.
[6] 罗巨涛,姜维利.纺织品有机硅及有机氟整理.北京:中国纺织出版社.1999,1: 21.。