Источник: Реферат по курсу «Нанотехнологии и наноматериалы» / Донецк, ДонНТУ. — 2011.
В середине 1970-х гг. профессора ботаники Боннского университета В. Бартхлотт и К. Найнюс обнаружили, что листья и цветки некоторых растений почти не загрязняются, а также тот факт, что этот феномен протекает в их наноструктурированных поверхностных областях. Позже это явление было ими запатентовано и названо в честь наиболее яркого представителя таких растений «лотос-эффектом».
Данный эффект наблюдается на многих других листьях растений, таких как капуста, камыш, тюльпан, а также у животных (крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природой свойством защиты от различных загрязнений (сажи, пыли, микробов). Большую опасность для растений представляют органические формы в виде бактерий, спор грибов или водорослей. «Лотос-эффект» предотвращает появление патогенных субстанций на таких поверхностях: споры легко смываются при каждом дожде, а при отсутствии дождя нет и влаги для прорастания спор.
Нанотехнологии дают возможность создавать поверхность, похожую на массажную микрощётку. Такую поверхность называют нанотравой, и она представляет собой множество параллельных нанопроволок (наностержней) одинаковой длины, расположенных на равном расстоянии друг от друга (рис. 1).
Капля воды, попав на нанотраву, не может проникнуть между нанотравинками, так как этому мешает высокое поверхностное натяжение жидкости. Ведь для того, чтобы проникнуть между нанотравинками, капле надо увеличить её поверхность, а это необходимы дополнительные энергетические затраты. Поэтому капля как бы «висит на ножках». В результате, силы прилипания (адгезии) между каплей и нанотравой становятся очень малы. Это значит, что капле становится невыгодно растекаться и смачивать «колючую» нанотраву, и она сворачивается в шарик, демонстрируя очень высокий краевой угол ?, который является количественной мерой смачиваемости (рис. 2).
Чтобы смачиваемость нанотравы сделать ещё меньшим, её поверхность покрывают тонким слоем какого-либо гидрофобного полимера. И тогда не только вода, но и любые частички никогда не прилипнут к нанотраве, т.к. касаются её лишь в нескольких точках. Поэтому и частицы грязи, оказавшиеся на поверхности, покрытой нановорсинками, либо сами сваливаются с неё, либо увлекаются скатывающимися каплями воды.
Самоочищение ворсистой поверхности от частиц грязи называют «эффектом лотоса», так как цветы и листья лотоса чисты даже тогда, когда вода вокруг мутная и грязная. Происходит это из-за того, что листья и цветки не смачиваются водой, поэтому капли воды скатываются с них, как шарики ртути, не оставляя следа и смывая всю грязь. Даже каплям клея и мёда не удаётся удержаться на поверхности листьев лотоса.
Благодаря этому в восточных религиях цветок лотоса всегда почитался как «символ чистоты». Выяснилось, что данное явление объясняется уникальным строением поверхности листьев лотоса, снижающим площадь соприкосновения, а следовательно и силу взаимодействия поверхности с частичками воды и грязи. [1]
Оказалось, что вся поверхность листьев лотоса густо покрыта микропупырышками высотой около 10 мкм, а сами пупырышки, в свою очередь, покрыты микроворсинками ещё меньшего размера (рис. 3). Исследования показали, что все эти микропупырышки и ворсинки сделаны из воска, обладающего, как известно, гидрофобными свойствами, делая поверхность листьев лотоса похожей на нанотраву. Именно пупырчатая структура поверхности листьев лотоса значительно уменьшает их смачиваемость. Для сравнения на рис. 3 показана относительно гладкая поверхность листа магнолии, который не обладает способностью к самоочищению.
Так как «лотос-эффект» основан исключительно на физико-химических явлениях и свойствах растений и не привязан только к живой системе, то самоочищающиеся поверхности можно технически воспроизвести для всевозможных самоочищающихся материалов и покрытий. Именно поэтому в последнее время проводятся интенсивные исследования по разработке и производству устойчивых к загрязнению и самоочищающихся поверхностей и покрытий.
«Эффект лотоса» – уникальное природное свойство цветка. Оно может быть использовано и в быту, и в промышленности, и, возможно, в медицине.
На рис. 4 представлен механизм «самоочищения» стекла автомобиля, обработанного специальными нанополиролями. Поверхность модифицирована так, что капля воды катится по ней, собирая грязь, тогда, как на гладкой поверхности, наоборот, капля воды, сползая, оставляет грязь на месте.
Один из секторов практических достижений нанотехнологий – получение прочных и стойких материалов, обладающих самоочищающимися свойствами, для лакокрасочных покрытий автомобилей и другой транспортной техники, фасадных красок, зеркал, керамики и ряда других целей.
В последнее время нанотехнологии постепенно приходят и в машиностроение, в частности автомобилестроение и автохимию. Нанопорошки уже применяют для создания прочных зеркал и отражателей, стойких к царапинам.
Одним из примеров использования нанотехнологий является также разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхности вагонов от рисования и нанесения надписей, делая их поверхность настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться.
На основе биохимического метода анализа создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают широким спектром антимикробного действия, что позволяет создавать широкую номенклатуру продукции с высокой бактерицидной активностью. Наночастицы серебра могут использоваться для модификации традиционных и создания новых материалов, дезинфицирующих и моющих средств, косметической продукции при незначительном изменении технологического процесса существующего производства. [2]
Таким образом, нанотехнологии позволяют создавать самоочищающиеся покрытия и материалы, обладающие также водоотталкивающими свойствами.
Зачем нужны лотосовые покрытия. Лотосовые покрытия были бы незаменимы во многих сферах жизни человека. Создание стекол, с которых бы стекали мельчайшие капельки воды с растворенными частичками грязи. Создание плащей и другой специальной одежды. Создание самоочищающихся фасадов зданий. Это только единичные примеры использования уникального свойства лотоса.
Богданов К.Ю. Что могут нанотехнологии? [Электронный ресурс] – Режим доступа:
http://kbogdanov5.narod.ru/20.htm
Абрамян А.А., Балабанов В.И. Основы прикладной нанотехнологии. Москва, МАГИСТР-ПРЕСС, 2007. – 208 с.