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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，其實有着高約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，所以荷葉有着自我清潔的能力。
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。我們在冬天穿着的gore-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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