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莲花效应:超疏水性和自清洁表面

1997
  • Wilhelm Barthlott
  • Christoph Neinhuis
超疏水性荷叶展示表面物理学中的自清洁特性。.

(图片仅供参考)

荷叶效应描述了荷叶的自清洁特性。荷叶表面覆盖着微小的乳突,乳突表面覆盖着表皮蜡晶,形成超疏水表面。水滴在荷叶表面形成水珠,接触角很大(θ > 150°),滚动角很小,在滚动过程中会带走污垢颗粒,从而清洁叶片。

荷花效应是一种非凡的自然现象,已成为仿生表面工程的基石。虽然荷叶的自洁特性早在几个世纪前就已为人所知,但直到 20 世纪 70 年代,人们才完全了解其基本物理机制,植物学家 Wilhelm Barthlott 和 Christoph Neinhuis 随后在 20 世纪 90 年代详细介绍了这一机制。他们利用扫描电子显微镜(SEM)揭示了叶片复杂的分层表面结构。叶片表面并不光滑,而是布满了微小的凸起或乳头,这些凸起或乳头本身又涂有更小的纳米级憎水蜡晶体。这种双重尺度的粗糙度是它具有极强憎水性的关键,这种状态被称为超疏水性。.

这种结构形成了一种复合表面,水滴不是停留在固体叶片材料本身上,而是停留在微观沟谷内的滞留空气垫上。这就是卡西-巴克斯特润湿模型所描述的情况。因此,水和叶片之间的接触面积最小,使水形成近似球形的珠子,接触角非常大(大于 150 度)。此外,水珠与表面的附着力极低,导致滚动角(或接触角滞后)很低。这意味着,即使叶片稍有倾斜,水滴也会滚落。在滚动过程中,高表面张力会使水滴吸附并带走灰尘、污垢和煤烟颗粒等污染物,从而有效清洁叶片表面。这种自我清洁机制对植物的生存至关重要,因为它能确保植物表面保持清洁,以便进行有效的光合作用和呼吸作用。.

莲花效应的发现和理解推动了材料科学领域的重大创新。研究人员开发了多种方法,例如光刻、化学蚀刻和纳米颗粒沉积,以创建模拟荷叶的人工超疏水表面。这些工程表面已衍生出一系列商业产品,包括自清洁涂料(如 Lotusan®)、玻璃和纺织品防水涂层以及船舶防污表面。该原理也被用于更高级的应用,例如减少表面阻力、防止结冰以及为医疗植入物创建无菌表面。

UNESCO Nomenclature: 2211
- 固体物理学

类型

物理特性

中断

重大的

用法

广泛使用

前体

  • 杨氏接触角方程 (1805)
  • 粗糙表面润湿的Wenzel模型(1936年)
  • Cassie-Baxter 复合材料表面润湿模型(1944 年)
  • 扫描电子显微镜(SEM)的发展

应用程序

  • 自清洁涂料(例如莲花)
  • 玻璃和纺织品的疏水涂层
  • 飞机和基础设施的防冰表面
  • 减少生物污染的生物医学设备
  • 船舶低阻力表面

专利:

  • EP0772514B1

潜在创新理念

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Related to: lotus effect, superhydrophobicity, self-cleaning, biomimicry, Wilhelm Barthlott, contact angle, Cassie-Baxter state, nanotechnology, surface coating, hydrophobic.

历史背景

莲花效应:超疏水性和自清洁表面

1986
1990
1994
1997
2002
2015-09-14
1986
1986
1991
1995
2000
2004

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

相关发明、创新和技术原理

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