Источник: Доклад в рамках курса «Нанотехнологии»

Многие современные технологии основаны на результатах наблюдения за живой природой и позаимствовали у нее уникальные механизмы и принципы. Одним из примеров такого «сотрудничества» человека с природой является так называемый «эффект лотоса», названный в честь растения, на котором он проявляется максимально ярко.

«Эффект лотоса» — эффект крайне низкой смачиваемости и самоочищаемости, возник в результате сложных эволюционных процессов, направленных на повышение способностей растений к выживанию. Дело в том, что загрязнение листьев как неорганическими веществами, так и бактериями, способно нарушить естественные биологические явления, имеющие место на поверхности. Ведь поверхность любого листка – это комплексная система, обладающая возможностями терморегулирования, фотосинтеза, водно-солевого обмена и др. Таким образом, с помощью "лотос-эффекта" растения защищают себя от размножения и паразитирования спор, загрязнения любыми веществами. Поверхности таких особых растений способны проявлять уникальные гидрофобные возможности, благодаря которым любая жидкость не задерживается, а стекает с них, увлекая за собой и загрязнения. Частицы грязи при этом распределяются по внешней стороне капли воды, не проникая внутрь нее.

Эффект лотоса был открыт немецким ботаником Вильгельмом Бартлоттом в 1990-х годах. В то время общепринятым было мнение, что чем более гладкая поверхность, тем труднее на ней удерживается влага и, соответственно, грязь. И каково же было удивление ученых, когда они поняли, что самыми грязными оказались именно растения с гладкой поверхностью, а те, у которых под микроскопом была обнаружена шероховатая поверхность, были идеально чистыми и сухими.

Как же работает этот механизм? Благодаря точным микроскопам удалось раскрыть его природу. Оказалось, все дело в кутине – воскообразном веществе, состоящем из высших жирных кислот и эфиров. Это вещество располагается на поверхности листьев и цветков в виде своеобразных «шипов», которые и являют собой специфическую наноструктуру. Именно пупырчатая структура поверхности листьев лотоса значительно уменьшает их смачиваемость. Для сравнения на рисунке показана относительно гладкая поверхность листа магнолии, который не обладает способностью к самоочищению.

Изучив условия, в которых проявляется «эффект лотоса», ученые смогли объяснить, как он реализуется на наноуровне. Сделать это можно с помощью простого примера: представим себе поверхность, покрытую зубцами наподобие расчески. Если положить на зубцы кусочек бумаги, то площадь его соприкосновения с поверхностью будет минимальной – только в местах контакта с зубцами. Если тот же клочок бумаги положить на гладкую поверхность, площадь соприкосновения значительно увеличится.

Таким же образом работает и поверхность листьев, покрытая восковыми ворсинками: грязь соприкасается только с ними, и капли воды тоже. Вода не может растечься и остается в виде шарика, а частицы загрязнения, слабо сцепленные с «остриями» ворсинок, соединяются с гладкой поверхностью капли, которая, стекая с листа, уносит с собой и загрязнения.

Степень увлажнения твердого тела описывается с помощью контактного угла "a", входящего в формулу с поверхностной энергией "sigma" на различных межфазных границах в соответствии с законом Кассье:

cosa=(sigmaT-Г - sigmaT-Ж)/sigmaЖ-Г

где sigmaT-Г – «твердое тело – газ»; sigmaT-Ж – «твердое тело – жидкость»; sigmaЖ-Г – «жидкость – газ».

С помощью закона Кассье можно объяснить, почему значение контактного угла для поверхности, а, следовательно, условие несмачиваемости (самоочистки) можно легко изменить, придав поверхности необходимый, в данном случае, наноразмерный рельеф.

Таким образом, лотос-эффект основан исключительно на известных физико-химических явлениях и не привязан только к живым системам; в силу этого самоочищающиеся поверхности технически можно воспроизвести для различных материалов и покрытий. Именно поэтому в последнее время проводятся интенсивные исследования по разработке и производству самоочищающихся или устойчивых к загрязнению изделий и покрытий в самых различных отраслях экономики.

Сегодня «эффект лотоса» уже нашел свое применение в автомобильной промышленности, в медицине и других сферах нашей жизни. Развитие нанотехнологий и продолжение изучения их возможностей способно в перспективе принести человечеству еще множество удачных изобретений, и возможно уже совсем скоро даже наши зонтики уйдут в прошлое.