蓮花效應

蓮花效應主要是指蓮葉表面具有超疏水(superhydrophobicity)以及自潔(self-cleaning)的特性。由於蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會因表面張力的作用形成水珠，換言之，水與葉面的接觸角(contactangle)會大於150度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。因此，即使經過一場傾盆大雨，蓮葉的表面總是能保持乾燥；此外，滾動的水珠會順便把一些灰塵污泥的顆粒一起帶走，達到自我潔凈的效果，這就是蓮花總是能一塵不染的原因。

巴特洛特他們在顯微鏡下發現，蓮葉的表面有一層茸毛和一些微小的蠟質顆粒，水在這些納米級的微小顆粒上不會向蓮葉表面其他方向蔓延，而是形成一個個球體，就是我們看到蓮葉上滾動的雨水或者露珠，這些滾動的水珠會帶走葉子表面的灰塵，從而清潔了葉子表面。

蓮花效應的效率極高。科學家們模擬蓮葉的表面，發明了納米自清潔的衣料和建築塗料，只需一點水形成水滴，就可以自動清潔衣物和建築表面。

一種仿生複合材料所具有的特性，像荷葉一樣具有自動清潔的功能，故稱蓮花效應。

刀刃的表面無法被水珠附著的事實已經被驗證而且廣為人知。但是人們往往會忽視這樣的表面同樣很難被弄髒。

在一個光滑的表面上髒的顆粒只會隨著水滴的滴落而移動，他們附著在水滴滾動時產生的粗糙表面上從而被洗刷下來。這種關係只在最近才被注意到而且用實驗得以證實。

因為在亞洲文化中被看作純潔象徵物的蓮花的大型類似於盾牌形狀的葉片上常常可以見到這種現象，所以人們把它成為“蓮花效應”。

如果水滴滾過蓮花的葉片，它們將捲起所有的灰塵微粒並將它們帶離葉片。這個“蓮花效應”原理如此有效，以至於即使是在被“蹂躪”過的蓮花葉片上依然無法使得水珠和灰塵微粒附著。

特殊的表面結構和產生蠟質的功能使得蓮花的葉片幾乎不受其他自然界現象的影響。它與人類對自然界影響的反應很不相同，如對環境中化學物質的影響反應等等。對於目前不得不廣為使用的屬於表面活性劑的化學物質來說，為了達到保持植物中有效營養成分的目的，它們被全世界的植物代理商廣泛使用。這些活性劑不僅破壞了蠟質晶體的完美結構，使得葉片容易被水潤濕。而且造成這樣的後果，就是植物上的臟物質將無法再被徹底清除，而在不理想的環境中，還將被孢子、真菌或者細菌這些可以感染植物的微生物所侵染。

蓮葉效應描繪了一個很有效的生物模型系統，用它可以來製作人工的防污表面，因為它基於一個純物理化學的原理。

有許多的領域和方面需要這種應用，如衣料的外表面、房頂、自動噴漆器等等。如果可以使得這些領域的自清潔功能得以實現，顯然會帶來很多好處，而且可以節省清潔花費的費用。在工業合作中，目前正在努力將蓮葉效應轉化成實際的技術應用。雖然肯定還需要耗費一些時間，但是肯定遲早會有這種實用的產品走向市場。

周敦頤在《愛蓮說》中曾說：「蓮花出淤泥而不染」，這正是大自然中神奇的地方。但是為什麼呢？後來科學家進一步的研究其構造及原因，並取名為──蓮花效應。我們將以此現象作為探討，深入並研究所能應用的範圍和成效。

更深廣的意義，影射到我們要學習蓮花的自潔功能，無論世界多麼骯髒，環境多麼惡劣，我們都要出淤泥而不染，一個高尚的人應該如此。

唐代鄭允瑞在《詠蓮》說：『本無塵土氣，自在水雲鄉；楚楚凈如拭，亭亭生妙香。』宋代周敦頤在《愛蓮說》中道出：『予獨愛蓮之出淤泥而不染』的一句話。在自然界中常常有著不為人之的小秘密，而蓮的特性古人就早有記載，隨著科技的進步，科學家慢慢的分析其中的奧秘。我們將討論蓮出淤泥而不染的真實性！

德國教授巴斯洛得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Mutisiadecurrens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，所殘留的污染物多達40﹪以上；而後四種植物，污染物所殘留的比例皆小於5﹪．

蓮之所以出淤泥而不染的原因是蓮葉的表面非常細緻，其細緻的表面放大千百倍也看不到其中的細孔，表面結構與粗糙度皆為納米的尺寸使得表面不沾水，所以灰塵或泥巴都無法吸附在表面上，故污垢自然隨水滴從表面滑落。蓮花運用自然的納米結構達到自潔的效果，如此表面自我潔凈的物理現象稱為『蓮葉效應』！

水滴落在荷葉上，會變成了一個個自由滾動的水珠，而且，水珠在滾動中能帶走和葉表面塵土。荷葉的基本化學成分是葉綠素、纖維素、澱粉等多糖類的碳水化合物，有豐富的羥基（-OH）、（-NH）等極性基團，在自然環境中很容易吸附水分或污漬。而荷葉葉面都具有極強的疏水性，灑在葉面上的水會自動聚集成水珠，水珠的滾動把落在葉面上的塵土污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持乾淨，這就是著名的“荷葉自潔效應”。

為什麼會有這種“蓮花效應”，用傳統的化學分子極性理論來解釋，不僅解釋不通，恰恰是相反。從機械學的光潔度（粗糙度）角度來解釋也不行，因為它的表面光潔度根本達不到機械學意義上的光潔度（粗糙度），用手觸摸就可以感到它的粗糙程度。

經過兩位德國科學家的長期觀察研究，即上世紀九十年代初將其歸因於其表面微米級的乳突。直到進入二十一世紀，中國科學院的江雷院士團隊揭示”蓮花效應“的本質。原來在荷葉葉面上存在著非常複雜的多重納米和微米級的超微結構。在超高解析度顯微鏡下可以清晰看到，荷葉表面上有許多微小的乳突，乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而每個乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。在荷葉葉面上布滿著一個挨一個隆起的“小山包”，它上面長滿絨毛，在“山包”頂又長出一個饅頭狀的“碉堡”凸頂。因此，在“山包”間的凹陷部份充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，只有納米級厚的空氣層。這就使得在尺寸上遠大於這種結構的灰塵、雨水等降落在葉面上后，隔著一層極薄的空氣，只能同葉面上“山包”的凸頂形成幾個點接觸。雨點在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸附灰塵，並滾出葉面，這就是“蓮花效應”能自潔葉面的奧妙所在。

研究表明，這種具有自潔效應的表面超微納米結構形貌，不僅存在於荷葉中，也普遍存在於其它植物中。某些動物的皮毛中也存在這種結構。其實植物葉面的這種複雜的超微納米結構，不僅有利於自潔，還有利於防止對大量漂浮在大氣中的各種有害的細菌和真菌對植物的侵害。另外，更重要的是，為了提高葉面吸收陽光的效率，進而提高葉面葉綠體的光合作用。

前面談到接觸角，那麼接觸角又代表什麼意義呢？接觸角表示某種液體對於某種材料或者表面的潤濕性能。當接觸角很小時，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。因此我們考慮2種極端現象：當接觸角為0度時，表示液體能完全的濕潤固體表面；當接觸角為180度時，代表液體完全不能濕潤固體表面。

現在我們回到蓮葉的接觸角，水滴在蓮葉上的表面接觸角很大時，這代表蓮葉與空氣間的介面張力很低，小水滴不容易濕潤蓮花表面。

蓮葉表面的化學組成為蠟。一般而言，水在一般的臘上接觸角為110度，但是水在蓮花的接觸角卻大於140度，所以除了臘之外，可能還有其它因素使水在蓮葉上的接觸角大於140度。那到底還有什麼因素呢？

其實蓮花表面上有類似纖維的納米結構。通常表面變得粗糙，會使水分葉面的接觸角變大。由於蓮葉的表面為臘的疏水性結構，接觸角原本大於90度，再加上粗糙面使水在葉面上的接觸角變為大於140度，水滴很難留在其上。

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淤泥而不染了。由於蓮葉表面同時擁有這種納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。

自然界的現象給了科學家無限的想象與創意。把透明疏油、疏水的納米材料顆粒作成塗料塗刷在建築物表面(例如 Ispo 公司)，大樓不會被空氣中的油污弄髒，鍍在窗戶玻璃表面上，玻璃也如同荷葉一般自凈而永遠透明。或將這種納米顆粒放到纖維中，做成防塵的衣物，也許可省去不少洗衣的麻煩。

楊格方程式( Young–Laplace equation )

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。而濕潤張力和接觸角的關係，可以用楊格方程式(en:Young–Laplace equation)：

氣─固界面張力 － 液─固界面張力的 =氣─液界面張力 × 接觸角的餘弦函數。

由於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。

模仿蓮葉自潔的功能，可以應用於表面納米結構的技術，可開發出自潔、抗污的納米塗料。有些納米塗料里滲有二氧化鈦的物質。將二氧化鈦等納米微粒加到衣服的纖維裡頭可使普通的衣服化身為可防震、除臭、殺菌，最重要的是自潔。海島型氣候的地區由於氣候濕熱，更需要這種東西。

在自然界這個小小的圈子裡，藏著大大的驚奇。有許多事情要試著去接近、感受它，才能得到更多的知識。我們先了解到自然界中許多的生物在人類的科技進步之前早就有了微觀的構造，從公分、公釐、甚至達到微米、納米，而在蓮葉上我們找到了納米級的細微結構。這種細小的突起物，使得水珠不易吸附在蓮葉上。當葉面傾斜到一定角度時，水珠會沿著葉面滑落並帶走上面的污染物，達到自潔的效果。這種特性也可以應用在玻璃上，例如：經過納米處理的玻璃本身也具有自潔的效果，這就可以運用在戰機的雷達上。最近許多廠商也利用納米技術處理塗料，物體塗上此塗料也將擁有自潔的效果。當這項技術普及化后，世界也將會改觀。不會髒的地板、牆壁、和沒有灰塵阻撓的無線電用品，將會不斷的出現，人類的生活也會更加進步。

蓮葉效應描繪了一個很有效的生物模型系統，用它可以來製作人工的防污表面，因為它基於一個純物理化學的原理。有許多的領域和方面需要這種應用，如衣料的外表面、房頂、自動噴漆器等等。如果可以使得這些領域的自清潔功能得以實現，顯然會帶來很多好處，而且可以節省清潔花費的費用。在工業合作中，目前正在努力將蓮葉效應轉化成實際的技術應用。雖然肯定還需要耗費一些時間，但是肯定遲早會有這種實用的產品走向市場。

蓮葉效應實質為既疏水也疏油的超雙疏效應，超雙疏納米材料舉例：

經過超雙疏技術處理過的各種紡織材料（棉、麻、絲、毛、絨、混紡、化纖等）等不僅顯示出卓越的疏水疏油性能（包括蔬菜瓜汁、墨水、醬油等各種物質），而且不改變原有織物的各種性能（纖維強度、染料親和性、耐洗滌性、透氣性、皮膚親和性、免熨性等），甚至還增加了殺菌、防輻射、防霉等特殊效果。

更為重要的是將從此改變人們大量使用洗滌劑洗衣的習慣，服裝將大大減少洗滌次數，洗滌時也只需用水輕漂，大大節約了水資源和時間。

隨著科學的進步，蓮的更多特性會漸漸被人們發現，利用。