荷花效應也叫作自清潔效應，主要套用在物體表面，可以實現防水防油的效果。可以保持物體表面的清潔，減少了洗滌劑對環境的污染，既安全又省力。
基本介紹
- 中文名：荷花效應
- 外文名：Self cleaning effect
- 別稱：自清潔效應
- 運用方面：防水，防油的領帶
效應簡介,效應原理,效應前景,乳膠漆,其它現象,
效應簡介
荷花何以出淤泥而不染？是因為它的表面十分光滑，污垢難以停留？不是。科學家用掃描電子顯微鏡觀察，發現荷花的花瓣表面像毛玻璃一樣毛糙，儘是20微米大小的“疙瘩”。這一被稱為“荷花效應”的發現給人意外的啟示。它啟發人們去研製塗料和油漆，使牆面像荷花一樣不受污染，永葆鮮艷色彩。
效應原理
上個世紀七十年代，德國植物學分類的科學家——威廉·巴特洛特，他和同事在試驗中，偶然發現了一個有反常規的現象。
按慣例，實驗用的植物都要被清洗乾淨的，可是他們注意到：通常只有那些表面光滑的葉子才需要清洗，而看起來粗糙的葉子，往往很乾淨。尤其是荷葉，它的表面不但不帶灰塵，而且連水都不粘。
荷花的生長少不了淤泥的，因為它提供了非常豐富的腐殖質，供荷花的生長所需。可是破水而出的荷葉上，不但淤泥、灰塵不粘，就連水滴也很難在上面安安穩穩地呆上一會兒，仿佛自己就能把葉片打掃得乾乾淨淨的。
自古就有這么一說，就是因為當水珠落在荷葉上的時候，它由於表面粗糙，就是表面張力的作用，那么水珠會變成球狀，或者是近似球狀的，然後呢，它會滾離荷葉表面，然後就是帶走荷葉上面的一些污濁的物質。
其實這齣淤泥而不染，主要說的就是荷葉。
那么為什麼它會有自清潔的特性呢？最開始人們認為是荷葉上那層白色的蠟質結晶決定的。
它表面就是有一層蠟質的物質， 我們用眼睛就可以直接看到，而用手也能感受到。您可以用手摸一下，它有一種粗糙的感覺。
荷葉表皮細胞分泌的蠟質結晶，在電子顯微鏡下，呈現出線狀或是毛髮狀的結構，並且在葉片的正面和背面都有分布。但是水在葉片背面無法形成球狀自如的滾動，反而還會滯留在中心。
那么再跟其它植物的葉片做個比較。遠了不提，就拿跟荷花同一科的睡蓮來說，它的葉子正面也有蠟，可是水滴上去，很快就鋪平、蔓延開了，更達不到水珠在荷葉上大珠小珠落玉盤的效果。所以除了蠟質結晶之外，一定還另有門道。
如果用電子顯微鏡觀察的話，就會發現它（葉）表面有一些這種微小的這種突起，這種微小的突起是這種微米級的微小的突起，然後這種微小的微米級的突起上面，又形成一種納米級的突起。
我們觸摸荷葉時粗糙的感覺，實際上就是由這些微小的突起產生的，它們平均大小約為10微米。而那些更小的突起，直徑只有200個納米左右。
要知道微米只有毫米的千分之一，而納米更是小到一定程度了，它只有微米的千分之一。到底有多大？我給您打個比方，假設一根頭髮的直徑是0.05毫米的話，嚓、嚓、嚓、嚓，把它縱向剖成5萬根，那每根的厚度大約就是1個納米，夠小的吧。
沒想到吧，在荷葉粗糙的表面上，竟然有著這么精細的微米加納米的雙重結構。
第一個結構就是它的那個微米級的乳凸，大概可能是10微米，到12微米，這么一個大小，然後深度可能是12到15微米之間，這種乳凸，然後乳凸上面有一個那個，就是表皮分泌的蠟質結晶，那個在電子顯微鏡的觀察下，可以看出來它是那種毛髮或者是線狀的結構。
也就是說，在那些“微米尺度”的小山上又疊加了許多“納米”小山。這樣一來荷葉的表面，就布滿了“山頭”，“山”與“山”之間的空隙非常窄，再小的水滴也只能在 “山頭”上跑來跑去。而水滴在滾動的時候，也就帶走了葉子上的塵土和細菌。
那么是不是有了這樣的結構，就能保證荷葉不沾水了呢？
科學家很快又發現，如果我們把荷葉放到水裡浸泡一段時間，荷葉表面會從疏水變得親水，這又是為什麼呢？
德國有一個科學家做過這個實驗，把荷葉放到水裡10米以下再拿出來的時候，再測它就變成親水了，因為它就是誘捕在乳凸和納米結晶之間那個空氣被排除了，是那個水分子一點一點的進去，進到那個空氣的膜里，把空氣排出以後，它這個就變成了親水了。
原來，那些個頭遠遠超過 “小山”的水珠和塵埃，之所以能在“山頭”上跑來跑去，不單是因為山之間的縫隙太小，最關鍵的是因為山和山之間都被空氣填地嚴嚴實實，形成了一個類似氣墊的東西，把水滴給隔開了。如果氣墊沒有了荷葉也會變得親水。
浸在水中的荷葉，由於壓力的作用，把這層空氣從小山中間擠了出去，因此就出現了科學家所看到的現象。
自從發現了荷葉不粘水的自清潔特點之後，人們就把這種現象稱為荷花效應。但其實，在自然界有很多生物都表現出類似的特點。
水稻的葉子也是不粘水的，與荷葉的不同在於，荷葉上的水滴，可以在平面內向各個方向運動。而水稻葉片上的水滴通常是沿著葉脈的方向滾落，垂直葉脈的時候，相對就有些困難。但是這都與它們各自葉片的形狀相適應。
儘管如此，人們始終認為荷葉的表面結構，所體現的自清潔特性最為完美，一直希望能模仿它，從而製造出各種各樣的疏水材料。
這事兒看起來很簡單，做起來難。您想，那么精細的形態，都是我們通過電子顯微鏡才看清楚的，想憑這樣兩隻手去複製類似結構，幾乎不可能，因此，這裡頭有著非常高的技術含量。不過在科學家的幫助下，我們的夢想正在慢慢照進現實。
效應前景
威廉·巴特洛特是德國波恩大學植物研究所的所長，他領導進行的一項研究表明，蓮花的潔淨中隱藏著一個秘密：當雨停了的時候，某些植物顯得很濕潤，而另一些植物則立刻就幹了，而且顯得很乾淨。由此發明了一項新技術，生產出表面完全防水並且具備自潔功能的材料。這是一項用途廣泛的新技術，它使人們不再為建築物及表面的清潔問題發愁，也不必再為汽車、飛機和各種運輸工具的清潔問題大傷腦筋。它不僅省去了周末例行的擦洗汽車的工作，使人們大大節省了體力，同時因為減少了使用有毒清潔劑，用於環保方面的支出也相應減少。
通過電子顯微鏡對1萬多種植物的表面結構進行了研究，最終揭示表面光滑的葉子都需要經過清洗才能置於顯微鏡下觀察，而表面覆蓋著一層極薄蠟晶體的葉子（這正是防水葉面的特點）卻乾乾淨淨。
事實上，在擁有“蠟盾”的葉面上，污物的粒子只是勉強立足，難以紮根，少量水就可以將其沖走。植物學家們組織了一場各類植物的抗污比賽：將防水性最佳的植物（從340種植物中選出）置於含有大量石英粉塵、二氧化硫和複印機墨粉的污染物中，然後，再將這些植物置於雨水 中，或用人工噴霧，以檢驗在直徑為0.5毫米的水滴中其自潔機能的效果。在高倍電子顯微鏡的幫助下，研究人員進行了一系列試驗後，取得了綜合數據。他們特別測量了水滴和葉面之間的接觸的角度：該角度越大，清潔所需的水量就越少。蓮花葉面與水滴的接觸角度平均為160度，最接近180度的極限值。
結論是微小的蠟晶體使植物葉面變得粗糙，這是植物具有抗污機理的關鍵所在。
1999年3月，第一種產品問世。在不久的將來，太陽能板、道路交通標識牌、花園中的座椅和苫布等覆蓋材料都只需用少量的水就可沖洗乾淨。這還僅僅是一個開始，幾年之後，“蓮花效應”可能直接套用於任何露天建築物或交通工具的油漆、塗料和表面材料上。
仿荷葉結構的防水納米布
中國是在世界上第一個做出納米布的國家，是中科院化學所做出來的；
其實，荷葉天然地就具有這樣的性質。水滴從來都浸不濕荷葉，就是因為荷葉上長著據說是700個納米尺度的一些絨毛，絨毛非常密，我們肉眼看很難分辨出來。但是用手摸能感覺到一種絨絨的東西。這個東西就讓荷葉失去了水對它的浸潤性。
具有這樣特點的這種布就帶有了自潔性。如果我們用這種材料做成衣服，就會防水。如果用這種材料處理玻璃，做成表面凸凹不平的結構，看起來沒有任何問題，但不會結霧，不會沾水。
關於納米防水拒油領帶
為什麼荷葉具有如此良好的疏水性？國外科學家曾提出，荷葉的疏水性在於其微米結構，而中科院化學所的研究員萬立駿等人在研究中進一步發現，荷葉的疏水性源於其納米結構。他們將這一成果與浙江某企業合作，研製出“防水”領帶，並被江澤民主席作為禮物送給布希總統。
氣浮防水材料的自性潔
作為超分子研究成果套用的一個重要例子，德國波恩大學Barthlott教授從荷葉的自清潔效應得到啟發，研製成功了易於清潔建築物及交通工具表面的塗料。水珠從荷葉上滾落，可以清除其上吸附的灰塵顆粒，這便是荷葉的自“清潔效應”，Barthlott教授最早認識到這一點並將其套用到生活中的清潔處理。荷葉效應作為一個很好的模型，可以用於諸多的領域的研究，如基於荷葉效應生產的塗料可方便房屋或建築物表面的清潔。荷葉效應可以大大降低人們對於清潔劑的使用，有益於環境保護。
荷葉的表面組織形態
德國波恩大學的Barthlott博士多年從事荷葉效應的生物研究，取得了卓著的成績，曾於1998年榮獲德國總統未來獎提名。德國ispo公司與Barthlott博士合作，將荷葉的微觀結構“克隆”到ispo公司生產的有機矽塗料--露珠仙中，成功地將荷葉效應套用於塗料之中。在放大7000倍的顯微鏡下可以看到，荷葉使水和塵埃在其表面的接觸面積減少了90%多，水被排除得幾乎毫無殘留，並帶走了每一顆附在水中的塵埃顆粒。
荷葉與疏水塗料的試驗
科學發明者想到的是荷葉為什麼有著超強的疏水性？如果套用在生活用品上，就像“荷葉面”雨傘，撐雨疏水，抖水即乾，不必擔心帶到室內會滴水了。土耳其科賈埃利大學的研究人員對荷葉的表面是不是非常光滑展開了研究。在顯微鏡下，研究人員看到荷葉是一種類似於海綿或是鳥巢的孔狀組織，空氣填充在列隙中，從而防止水吸附於葉面。研究人員測定了水在人的皮膚、水鳥羽毛上的接觸角，皮膚為90度，水鳥羽毛和荷葉與水珠的接觸角分別為150度和170度，後來，研究人員在溶劑中溶解聚丙烯，獲得了這種套用塑膠的普通液體，再加入一種凝結劑製成塗料，把它塗在玻璃片上，在一個真空烤箱中使溶劑蒸發，得到一種多孔的凝膠層。當研究人員在凝膠層上滴下水珠後，發現它的疏水能力可以與荷葉媲美，並且與水珠的接觸角度達到了160度。
由此，研究人員認為，生產超強疏水性塗料時，再也無需昂貴的材料和耗時的過程了，更不需要加入什麼納米材料，因為“荷葉的疏水效應”給人提供了一個簡單的方法，可以用來解決製造超強疏水性塗料的技術難題，所以，生產超強疏水性塗料的成本也有望大大地降低了。
用規聚丙烯研製新型防水塗料
據海外媒體報導，土耳其Kocaeli大學的研究人員最近開發成功一種利用立構等規聚丙烯（iPP）生產超級憎水性防水塗料的簡單易行方法。這種方法是使用溶劑處理方法形成一種類似溶膠的iPP塗層，其表面結構像荷葉那樣具有防水性。據研究人員稱，該塗料可廣泛用於玻璃、金屬、紡織品及其他結構表面。
納米孔的氣浮功能
在荷葉的掃描電鏡的照片上，表面結構清晰可見，那些凹凸不平的納米結構正是科研人員尋找的答案。經過凹凸納米結構處理過的織物，開始表現疏水、疏油的特性。實際上在這種荷葉上的許許多多納米孔，在水滴或油滴乃至液體滴在這個介面的時候，會形成一層氣膜，使水或油都不能侵入這個表現，因此產生了一個奇妙的疏水疏油的效果。
乳膠漆
房屋所有者和房屋建造者都希望外牆面保持乾燥清潔。但由於我國環境條件還不盡人意，外牆面往往會受到污染，有的甚至受到嚴重污染。因此，人們一直在探求能保持外牆面乾燥清潔的建築塗料。荷葉效應乳膠漆就是能保持外牆面乾燥清潔的一種建築塗料，它是仿生學在建築塗料中套用的一個例子。一.荷葉效應乳膠漆的開發很久很久以來，最佳化的自潔功能已在自然界存在，荷花葉子就是其中的代表。荷葉表面具有很好的憎水性，並實際上是不能濕潤的，它還出污泥而一塵不染。這是為了適應環境而長期演變的結果。德國玻恩大學植物學教授W.Bartblott研究了荷花葉子的結構和荷葉效應機理。經研究發現，荷花葉子之所以具有以上性能，是因為葉子表面既憎水，又有一個顯微結構。德國Sto上市公司下屬ISPO公司，根據荷葉效應機理和矽樹脂外牆塗料的實際套用結果，經過三年研究工作，成功地把荷葉效應移植到外牆乳膠漆中，開發了微結構有機矽乳膠漆，即荷葉效應乳膠漆[1]。這種荷葉效應乳膠漆採用具有持久憎水性的少乳化劑有機矽乳液等一些專門物質，並形成一個納米級顯微結構，從而使其塗膜具有類似荷花葉子的表面結構，達到拒水保潔功能。荷葉和荷葉效應乳膠漆的結構比較如圖1所示。可以看出，二者的結構非常相似。
荷葉效應機理
市場上的荷葉效應塗料或乳液，絕大多數是通過降低表面張力來實現的。這種通過降低表面張力，其提高與水的接觸角有限，約能提高至1200左右，如市場上的矽樹脂塗料與水的初始接觸角約為93°-115°；它們與灰塵的接觸面積基本沒變，因此，荷葉效應的結果是有限的，很難達到既保持塗膜乾燥，又具有自潔功能。與水的接觸角至少要達到130°，這時表面具有顯著的憎水性，成珠滾落的雨水才具有自潔功能[2]。材料的性能是由其組成和結構決定的。把降低表面張力和形成顯微結構結合起來，才能取得很好的荷葉效應結果。根據表面物理化學中表面平整度對接觸角的影響規律可知，當接觸角小於90°時，表面粗糙度大些能使接觸角進一步減小；而當接觸角大於90°時，粗糙表面能使接觸角進一步提高。荷葉效應乳膠漆塗膜與水的接觸角大於90°，所以粗糙的顯微結構可提高接觸角，約能提高至140°。另一方面，一個顯微粗糙表面，還可以使灰塵與塗膜的接觸面積降至原來的百分之一以下，從而使灰塵與水的粘附力大於灰塵與塗膜的附著力。因此，下雨時，雨水在牆面上成珠滾落，同時把灰塵帶走，使牆面保持乾燥和清潔，如圖2所示。這就是乳膠漆的荷葉效應機理。
移動水的自潔作用
德國玻恩大學開發出一個快速測定移動水清潔作用的試驗方法，稱為集灰試驗。即在塗膜試板上，撒一些炭黑或粉煤灰，接著滴幾滴水，使試板稍微傾斜晃動，從而水就在試板上來回移動。對於普通的塗膜，包括矽樹脂塗膜，隨著水的移動，在塗膜上留下含灰的水跡。對於荷葉效應乳膠漆塗膜，水成為一個大珠點，炭黑或粉煤灰集聚在大水珠的外圍，而塗膜仍保持乾淨清潔。
荷葉效應乳膠漆的耐沾污性
測試塗料耐沾污性較可靠的方法是將試板900放置的自然曝曬法。
荷葉效應乳膠漆具有很好的耐沾污性。
除了荷葉效應乳膠漆外，乳膠矽酸鹽複合塗料具有很好的耐沾污性。經觀察，其耐沾污性好是通過較大的表麵粉化而達到的。而荷葉效應乳膠漆是由於自潔功能使其具有很好的耐沾污性。
實際工程的效果也證明了這一點。如廈門的一個荷葉效應乳膠漆塗刷的工程，三年多了，還仍然如新。
總之，這是人們首次把自然界的荷葉效應套用於塗料產品。荷葉效應乳膠漆把矽樹脂塗料的優點和上萬年來自然界演變結果結合起來，進一步發展了現有的外牆塗料，尤其是矽樹脂塗料，從而使外牆保持乾燥、清潔、耐久成為可能。
其它現象
荷花能自身加熱，即使外界溫度降到10℃，它也能保持花朵內35℃的溫度，一株盛開的荷花可提供1瓦的功率。這一能量來自荷花細胞內能發熱的線粒體——細胞的“動力機構”。荷花的自身加熱有利於花粉傳播。荷花有一種潛藏於蓮子的旺盛的生命力。科學家用一顆1288年以前的古老蓮子培育出新的健康荷株。沉睡了近千年的蓮子竟然在4天后長出嫩綠的新芽。科學家從千年古蓮中離析出一種酶，發現是這種酶在修理細胞本身的蛋白質損壞造成的缺陷。倘若能從蓮子中分離出負責修理“衰老損壞”的基因，不也可以把這種基因移植到其他植物乃至人身上，讓人類的不老夢想成真嗎？
荷花是水生植物，性喜相對穩定的平靜淺水，湖沼、澤地、池塘是其適生地。荷花的需水量由其品種而定，大株形品種如古代蓮、紅千葉相對水位深一些，但不能超過1.7米．中小株形只適於20～60厘米的水深。同時荷花對失水十分敏感，夏季只要3小時不灌水，缸栽荷葉便萎靡，若停水一日，則荷葉邊焦，花蕾回枯．荷花還非常喜光，生育期需要全光照的環境。荷花極不耐蔭，在半蔭處生長就會表現出強烈的趨光性．
都說荷花"出淤泥而不染"，這是人們對荷花人格化品德的讚揚。實際上，荷花的地下莖在淤泥中生長，哪有不被有毒物質侵染的呢？只因藕的特別細密的表皮組織和含有丹寧的下皮，具有一定的阻擋或吸收有毒物質的能力，因而有毒物質多黏附在表皮上或滲入表皮中，人的肉眼看不見罷了。故此要記住在食用藕時削去外皮，不要把有毒物質也吃進肚中。
自古以來，荷花就因其在觀賞、食用、藥用及其他用途而得到人們的喜愛。風景名勝之處荷花的觀賞功能自不必說，它的食用功效也更是早為人知。早在五千年前，先人就已經採摘蓮實為糧了。先今人們則把藕、蓮子和花做成了菜餚，走進了國際市場。此外荷花的莖、葉、花、實都是中藥用材，有些部分還是某些疾病的特效藥呢。
荷花對生長環境有著極強的適應能力，不僅能在大小湖泊、池塘中吐紅搖翠，甚至在很小的盆碗中亦能風姿綽約，裝點人間。在我國荷文化史上，盆荷這種形式出現之初只是被用於私家庭院觀賞。如今，在我國各地園林中，盆荷的套用非常廣泛。盆栽和池栽相結合的布置手法，提高了盆荷的觀賞價值，在園林水景和園林小品中經常出現。荷花水石盆景是今幾年在杭州出現的一種新的盆景。它是荷花盆栽與水石盆景的有機結合，既體現山石的剛毅挺拔，又顯示荷花的嬌艷嫵媚。荷花盆景可選用珊瑚石、砂積石、斧劈石、英石等山石作材料。
