為何荷葉能出淤泥而不染?

本文以「为什么荷葉能出淤泥而不染」為題,先引用韦应物和周敦颐的古诗文,阐释荷葉的文化意蕴,接着介绍德国学者的研究发现,解释荷葉表面的微納米结构和蜡状突起形成的荷葉效應(疏水效應)能使液滴携带污染物实现自洁的原理,最後提及超疏水表面的特性、自然界中的類似结构以及相關仿生研究與應用成果。

為何荷葉能出淤泥而不染?

唐代詩人韦应物的这首《咏露珠》诗,描绘了一幅展开在荷塘里的美丽画面:清冷的秋夜,荷叶上有一滴露珠在月光下闪耀,宛若从苍穹坠落。宋代学者周敦颐在《爱莲说》中也这样赞美荷花:“出淤泥而不染,濯清涟而不妖。” 后人则用荷花比喻君子在恶劣环境中不为世俗所污的高尚品格。

荷叶效应 荷叶为什么能“出淤泥而不染”呢?1997年,德国波恩大学植物学教授巴斯洛特在研究植物叶子时,用电子显微镜观察了荷叶表面结构,才揭开了其中的奥秘。原来,在荷叶表面生长着许多高度约5~9微米、间距约12微米的乳突,每个乳突表面又生长着许多直径200纳米的蜡质突起,这相当于在“微米结构”上生长着“纳米结构”。在荷叶表面,这样的 “微纳米结构” 看起来像密密麻麻的“小柱子”。再加上蜡质的排斥作用,使液滴无法钻入“小柱子”间隙内部,只能在“小柱子”顶端来回滚动。于是,液滴与荷叶表面就呈现出了排斥性,我们称之为“荷叶效应”,也可称之为“疏水效应”。当污染物落在荷叶表面时,随液滴滚动,它们会轻易地被带走。这就是荷叶“出淤泥而不染”的奥秘。

具有荷叶效应的表面,都具有自清洁功能。如果该表面与水滴之间的排斥效应极为强烈,就称为 “超疏水表面”,此类表面同时具有很好的减小阻力的功效。如果荷叶乳突上的蜡质丧失了,荷叶的超疏水性质也会被破坏。但荷叶自身能够不断分泌蜡质,随着蜡质的补充,超疏水性质便可恢复。与荷叶类似,自然界中具有优良超疏水性的植物表面几乎都具有微纳米结构。据不完全统计,自然界中约有1200种能够在水面上行走的昆虫,它们的腿部也具有微纳米结构。中国科学院化学研究所对自然界中多种植物叶面和花瓣进行了研究,不仅人工合成了许多超疏水材料,还制备出了具有自清洁功效的衣物,在超疏水领域颇有影响。