北宋理学家周敦颐《爱莲说》中的名句
“予独爱莲之出淤泥而不染,濯清涟而不妖”
相信许多人都对这句话记忆尤深,而荷花之所以能保持干净,离不开荷叶的庇护。仔细观察就会发现:荷叶的表面也总是洁净无比,当水滴落在叶面上时,并不会浸润其中,而是圆圆的一颗,滚来滚去,颇有一种“大珠小珠落玉盘”的感觉。而“自清洁”和“不沾湿”这两种特性,就被统称为“荷叶效应”。
叶片上跳动的水珠
那么,荷叶为什么会有如此神奇的能力呢?
我们从微观视角一看便知。先将荷叶放大500倍观察,就会发现:它的表面并不像肉眼看到的光滑细腻,而是分布着一个个小的凸起——乳凸。它们的平均尺寸接近10微米,平均间距在20微米左右。再将其中一个乳凸放大观察,当显微镜倍数达到10000倍时,就能看到乳凸上面还密密麻麻地分布着细微的棒状蜡质晶体。它们的长度接近1微米,直径则在100纳米左右。也就是说,在荷叶表面存在着复杂的“微米—纳米”双重结构,也正是这种结构决定了荷叶的特殊性质。
纳米级结构
微米级结构
我们可以将这些乳凸看作一个个隆起的“小山包”,它们之间的凹陷部分充满着空气。水滴的最小直径为1~2毫米,远大于乳凸的尺寸,所以当雨水落下时,隔着极薄的空气层,它仅能与“小山包”的顶端有些许接触,而不能浸润到荷叶表面。又因为表面张力的作用,水滴就会保持球状体,并在滚动的过程中吸附灰尘,最终滚出叶面。至此,荷叶便做到了所谓的“不沾湿”和“自清洁”。
“不沾湿”和“自清洁”
而在自然界中,不仅仅是荷叶,许多生物都拥有超疏水的能力,例如,蝴蝶的翅膀、水黾的腿等,将它们在显微镜下放大,都会观察到与荷叶相似的“微米—纳米”级结构。
蝴蝶翅膀放大1000倍
蝴蝶翅膀放大10000倍
水黾腿上微米级的刚毛
刚毛放大后存在凹坑
在了解荷叶效应产生的原因后,人类当然不会放过这一模仿学习的机会,“超疏水材料”便应运而生。例如,澳大利亚一家服装公司发明了一种特殊的T恤,同样是棉质衣服,但是不论往上面泼水还是饮料,它都能一直保持干爽;日本尼桑公司将一种纳米级材料涂抹在汽车的一半,在驶过泥地后,就能看到明显的对比:涂有特殊材料的车身干净如初,而原来的部分早已布满泥污。除了这些,还有荷叶效应乳胶漆、防水漆、荷叶玻璃等,相信随着科技的不断进步,荷叶效应可以应用在更多的材料上,我们的生活也能因此改善。
超疏水T恤
纳米级超疏水涂料
防水漆
参考资料:
我们把荷叶放大了500倍,找到了它出淤泥而不染的原因 . 科普中国
“荷叶效应”揭秘 . 华南植物园
赏荷时节,这些秘密你得懂 . 蝌蚪五线谱
荷叶效应及其应用 . 荒年fans