莲花效应的原理

高解析度的电子显微镜利用高能的电子,使科学家能清楚观察微小的结构。在电子显微镜下,发现莲叶表面布满约 5-10 μm 高,相距约 10-15 μm 的微小凸块。这凹凸不平的表面本身又布满直径约为 1nm 的蜡质结晶。这两个主要的特点—蜡质物料和微小而凹凸不平的表面,对于莲花效应原理非常重要。

莲叶上的蜡质物料是疏水性的。疏水性的意思是不「喜欢」水,或者从另一观点看,水不「喜欢」它。因为这个特性,在疏水性的表面上,水分子倾向于聚在一起形成小水珠,这样水分子才能远离疏水性表面而靠近其他水分子。在莲叶面上的蜡质物料具疏水性,导致水珠的形成。这种不喜欢水的作用可以视为一种化学效应。

当水珠与一个表面接触,水珠的形状会因着表面的特性而改变。水可能会在表面上散开,把表面弄湿。这时表面与水面所成的角度较小,一般小于 80o 。这样的表面称为亲水性,意即「喜欢水」。表面与水面所成的角度称为「接触角」。接触角较小,代表水倾向于在表面上散开。另一种情况是水聚在一起形,没有在表面上散开,因此表面保持干爽。这时表面的接触角大于 80o 。如上所述,这样的表面称为疏水性,意即「不喜欢水」。

表面亲水或疏水的成因颇为复杂。对此有兴趣的学生,应注意到不同材料的交会处形成一个界面。我们这里有三种材料:水、空气和表面。因此在 (i) 空气和水之间,(ii) 空气和表面之间,和 (iii) 水和表面之间有三个界面。一个表面是亲水或疏水取决于在这三个界面之中表面张力的大小比例。

在平的疏水表面上加上凸块,便可把它变成超级疏水表面。超级疏水表面的接触角很大 。这是一个物理作用。随着表面变得凹凸不平,水和表面的接触面积减少,水珠变得越来越像球体,更加容易从表面上滚下。所以,疏水性的程度可以透过修改表面的粗糙程度而控制。

有了疏水性与亲水性的概念,让我们回到效应原理的问题上。莲叶表面是超级疏水性的,即接触角非常大,这是因为表面凹凸不平和布满蜡质物料。这样,水几乎不可能在叶子上散开,弄湿叶子,而在叶子上形成球状小水珠。水珠轻轻的附在叶面上,即使叶子有轻微振动,小水珠也会从叶面滚下来。亦由于叶面凹凸不平的结构,污垢物的粒子一般也是轻轻附在叶面上的。随着水珠在叶面上滚动,污垢的粒子也会被带走 ,达到自动清洗的作用。