【十万个为什么——物理(二)】为什么荷叶会出淤泥而不染
来源: 作者:科普工作队 发布日期:2015-03-05 00:00:00

荷叶
“ 秋荷一滴露,清夜坠玄天。将来玉盘上,不定始知圆。 ” 唐朝诗人韦应物的这首《咏露珠》诗,呈现了一幅铺展在荷塘里的美丽画面:清冷的秋夜,荷叶上有一滴露珠在月光清辉之下闪亮,仿佛坠自苍穹。宋朝学者周敦颐在《爱莲说》中也这样赞美荷花: “ 出淤泥而不染,濯清涟而不妖。 ” 后人则用荷花来比喻君子在恶劣的环境中不为世俗所污的高尚品格。

荷叶表面的乳突
荷叶为什么会 “ 出淤泥而不染 ” 呢? 1997 年德国波恩大学植物学教授巴斯洛特研究植物叶子时,用电子显微镜观察了荷叶表面结构,才揭开了其中的奥秘。原来,在荷叶的表面上生长着许多高度约为 5 〜 9 微米、间距约为 12 微米的乳突,每个乳突表面上又生长着许多直径为 200 纳米的蜡状突起,这相当于在 “ 微米结构 ” 上生长着 “ 纳米结构 ” 。在荷叶的表面上,这样的 “ 微纳米结构 ” 看上去像密密麻麻的 “ 小柱子 ” ,再加上蜡状物的排斥效应,使得液滴不能钻到 “ 小柱子 ” 间隙内部,只能在 “ 小柱子 ” 顶端跑来跑去。于是,液滴与荷叶表面就呈现出了排斥性,我们称之为 “ 荷叶效应 ” ,也可称之为 “ 疏水效应 ” 。当有污染物落在荷叶表面时,就会随液滴滚动,轻易地被带走,这就是荷叶 “ 出淤泥而不染 ” 的奥秘。

荷叶表面乳突的侧面
具有荷叶效应的表面,都有自清洁功能。如果该表面与水滴间的排斥效应极为强烈,就称为 “ 超疏水表面 ” ,这类表面同时具有很好的减小阻力功效。如果荷叶乳突上的蜡状物丧失了,荷叶的超疏水性质也就被破坏了。但荷叶自身能够不断地分泌蜡质,随着蜡质的补充,超疏水性质便 可恢复。
与荷叶类似,自然界中具有优良超疏水性的植物表面几乎都具有微纳米结构。据不完全统计,自然界中约有 1200 种能够在水面上行走的昆虫,它们的腿部也具有微纳米结构。
中国科学院化学研究所对自然界中多种植物叶面和花瓣进行了研究,不仅人工合成了诸多超疏水材料,还制备出了具有自清洁功效的衣物, 在超疏水领域颇有影响。
【微博士 】 自清洁的超疏水材料
研制出各种各样 “ 荷叶效应 ” 的材料 , 具有广阔的工业和生活应用前景。由这样的材料制成的衣服、领带不易被弄脏;将这些材料涂在餐具表面 , 餐具上的油污就很容易清洗;将这些材料涂在输油管道的壁面上,就可以降低摩擦,节约输运过程中的能量消耗;将这些材料涂在机身、电缆上面,可以起到防止结冰的功效; “ 鲨鱼皮 ” 泳衣威名远扬,也是由于织物上的微纳米材料起到了很好的减阻作用。
