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2016年5月11日 星期三
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科學講堂:荷葉「防水罩」 出淤泥不染


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■水珠把葉面的污垢包裹起來。 網上圖片

巧用張力疏水性 模擬巧製家居用品

一千年前,北宋年間,理學家周敦頤寫下散文《愛蓮說》,當時的千古名句「予獨愛蓮之出淤泥而不染,濯清漣而不妖」,反映他對蓮花有深刻的觀察,而觀察力正正是成為科學家的主要條件。

科學解釋自潔能力

周敦頤看出蓮花有「出淤泥而不染」的自我清潔能力,他看到的,可能就如右圖中,水珠把葉面的污垢包裹起來。那麼,這是如何做到的呢?

一千年之後,科學家試圖去理解這個稱為「荷葉效應」或「蓮花效應」(lotus effect)的現象。要了解這個現象,我們先要了解液體表面的張力(surface tension)及疏水性(hydrophobicity)。

液體表面的張力(surface tension)

在液體內,水分子與水分子之間的引力(cohesive forces)互相平衡,但當水分子接近水與空氣的界面時,水分子與水分子之間的力則向水界面及水表面的方向,而非空氣的方向,我們稱之為水的表面張力(surface tension)。

水的表面張力可讓比水密度更高的昆蟲如水黽,俗稱「水蜘蛛」或「水鉸剪」,輕易地浮在水上,或在水上闊步而行。

浸潤性(wetting/ wettability)

浸潤性為液體依附在固體表面的能力。下圖中,如果水分子與固體表面之間的引力(adhesive forces)很大,水分子就會完全展開平躺,我們稱這個表面為「浸潤性高」。

而在浸潤性低的表面,水分子與固體表面之間的引力小,水分子傾向維持球狀,避免接觸到該表面。

疏水性(hydrophobicity)

要判斷液體在固體表面展開多少,先要明白何謂「接觸角度」,接觸角度為液體及三態(固體、液體、氣體)相交的邊界而成的角度。如果接觸角度比90度少,該表面稱為親水性(hydrophillic surface)。

如果接觸角度比90度多,該表面稱為疏水性(hydrophobic surface)。 如果接觸角度比150度多,該表面稱為超疏水性(superhydrophobic surface)。水珠在荷葉的表面接觸角度可達170度,所以荷葉的表面為超疏水性。

Cohesive forces實為香港中學化學課程內的分子間引力(intermolecular forces),分子間引力主要包括范德華力(van der Waals' forces)及氫鍵(hydrogen bonding)。

表面有「粗粒」蠟晶體減水引力

荷葉表面有兩種特徵,讓水維持球狀。

一、 荷葉看似平滑的表面,其實有荌狀10微米至15微米的粗糙顆粒,這個表面可以內藏一層空氣,以減少水珠接觸它表面的機會。下圖為放大後的荷葉表面。

二、 荷葉表面被納米大小的蠟晶體(wax crystals)覆蓋,而蠟與水並不相容。

因為以上兩個原因,荷葉表面與水分子之間的引力很小,所以荷葉有茼菃痦M潔的能力。

鯊魚衣助破逾百游泳紀錄

日常生活中,汽車的擋風玻璃、家居油漆、電子產品均需要防水技術。科學家模仿荷葉表面的兩種特徵,即為產品表面增加微米大小的粗糙顆粒及納米大小的蠟晶體,以提供防水功效。我們在冬天穿茠榫ore-tex(r)防水外套,亦是使用了荷葉效應。

除了荷葉外,大自然中亦有許多動物表皮具有與荷葉相似的特徵,例如鯊魚皮及蝴蝶翅膀。2008年至2009年,超過130項游泳的世界紀錄被打破,就是因為泳手使用了以荷葉效應設計的鯊魚衣。但因賽事不公,國際游泳聯合會於2010年已經禁止泳手使用鯊魚衣。

小 結

科技的進步,始於我們對大自然的觀察。周敦頤大概不會想到,他對蓮葉的觀察,即為今天的納米科技。而千年後的科學家,已經掌握了某些自然界物事的特徵,亦以納米技術模擬它們,並將之應用於促進人類的生活上。 ■吳俊熙博士

作者簡介:畢業於加州大學洛杉磯分校(UCLA),曾在加州的州立大學教授化學,現任教於香港大學。聯絡:www.facebook.com/drbennyng。

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