莲花效应

蓮花效應資工一鄭婉婷蕭妟如鄭又慈劉書瑋廖宏寧陳春松楊俊彥具有微米級表皮細胞與奈米級蠟質結晶的蓮葉表面植物葉子表面之微結構─表面較為粗糙•植物葉子表面之微結構─表面較為平坦蓮花效應什麼是蓮花效應—自潔“蓮花效應”發現者蓮花的自潔能力蓮花效應的應用水珠會夾帶灰塵顆粒離開葉面什麼是蓮花效應蓮花效應是指蓮葉表面具有超疏水以及自潔的特性。由於蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會因表面張力的作用形成水珠，水與葉面的接觸角(contactangle)會大於140度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。因此，即使經過一場傾盆大雨，蓮葉的表面總是能保持乾燥；此外，滾動的水珠會順便把一些灰塵污泥的顆粒一起帶走，達到自我潔淨的效果，這就是蓮花總是能一塵不染的原因在表面張力作用下，水與超疏水表面會有一接觸角“蓮花效應”的發現1997年，德國波昂大學的植物學家WilhelmBarthlott針對這個特殊現象進行了一系列的實驗，發現了上述蓮花的疏水性與自我潔淨的關係，因此創造了「蓮花效應」(Lotuseffect)一詞，同時也擁有這個商標的專利權。從此以後，蓮花效應就成了奈米科技最具代表性的名詞。蓮花效應在電子顯微鏡下，蓮葉的表面具有大小約5~15微米細微突起的表皮細胞表皮細胞上又覆蓋著一層直徑約1奈米的蠟質結晶，蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性，所以當水與這類表面接觸時，會因表面張力而形成水珠，再加上葉表的細微結構，使水與葉面的接觸面積更小而接觸角變大，因此加強了疏水性，同時也降低污染顆粒對葉面的附著力。在電子顯微鏡下觀察水銀與葉面接觸的狀況蓮花自潔能力表面細微的奈米結構在自潔功能上扮演著關鍵的角色。以蓮葉為例，水珠與葉面接觸的面積大約只佔總面積的2~3%，若將葉面傾斜，則滾動的水珠會吸附起葉面上的污泥顆粒，一同滾出葉面，達到清潔的效果；相形之下，在同樣具有疏水性的光滑表面，水珠只會以滑動的方式移動，並不會夾帶灰塵離開，因此不具有自潔的能力。細微結構與自潔作用即使同樣具有疏水性的表面，在細微結構上的水珠會吸附著灰塵顆粒滾動，而在光滑表面上，水珠能使顆粒移動的程度有限蓮花效應的應用在自然界中，植物總是暴露在各種污染源當中，例如灰塵、污泥，還有一些有機的細菌、真菌等。蓮葉上複雜的奈米與微米級結構除了有自潔的功能外，還可以防止受到細菌、病源體的感染，只要經過一場大雨的洗禮，就能恢復煥然一新。目前蓮花效應的概念主要是應用在防污防塵上，透過人工合成的方式，將特殊的化學成分加入塗料、建材、衣料內等等，使其具有某些程度的自潔功能，以實現拒水防塵的目的。紫外光照射移動水源將奈米線覆蓋在表面上，成功地僅憑紫外光照射就能移動水滴。這項技術未來可望應用在微流元件上，或許將有助於藥物輸送等。一、塗裝產業新契機這種表面自清潔的特性不僅存在於蓮花葉面上，在動物皮膚或許多其他植物葉子中亦都得到驗證，而開發仿造蓮葉具自清潔功能的疏水塗料、塗裝技術製程，乃蔚為風潮。相關的研究方向包含：(1)應用於LCD產品之高阻氣、高透明塗料及抗反射高硬度塗料(2)應用於電子產品之電磁遮蔽塗料(3)應用於建築之隔熱節能塗料及自清潔塗料(4)金屬用防蝕防鏽塗料(5)具環保相容性之塗料(6)具有殺菌效果的奈米光觸媒塗料(7)精密的塗裝製程技術(8)模擬計算於塗裝製程上的應用技術(9)建立相關量測或檢測技術二、功能性塗裝材料與技術塗裝材料及種類眾多，作用方式及機制亦不同，製備技術更是千變萬化，塗層除了其基本特性外，還要能滿足某些特殊的性能要求，如：自潔性、耐蝕性、耐磨性等塗層。依塗層材料的特性與形成的技術可粗分為下列三種：（一）金屬塗層（二）非金屬塗層（三）複合材料塗層（一）金屬塗層各種金屬，如銅、鋁、鎳、鉻、銀等許多金屬材料均可成為塗層，可達到防腐蝕、耐磨及其他功能塗層作用。金屬塗層依形成的技術又可細分為五種：(1)熱噴塗層(2)熱浸鍍塗層(3)電沈積塗層(4)化學沈積鍍層表面形成塗層(5)氣相沈積塗層右圖:電鍍(電沈積)原理示意圖（二）非金屬塗層各種有機材料，如油漆、樹脂等高分子材料；各種無機非金屬材料，如矽酸鹽及有色礦物均可為塗層，可達到防腐蝕、耐磨及其他功能塗層作用。非金屬塗層依構成的材料與技術又可細分為三種：(1)有機塗料塗層(2)無機塗料塗層(3)塑料塗層三、塗裝材料技術發展上的應用塗裝(層)材料技術應用層面相當廣泛，依所需功能性的不同，在材料特性選擇與形成技術上而有差異，目前最大的應用層面在於高阻氣高透明性塗層與超疏水自清潔塗層二大方向：（一）高阻氣高透氣性有機材料：溼式法形成鍍層優點---生產速度快且具大面積化生產性，更適合於連續生產無機材料：乾式法形成鍍層目的---阻隔水氣與氧氣有機/無機混成材料：藉由高阻氣無機物的添加，達到提高有機塑膠材料之阻氣性，又保有高分子材料本身韌性之功能。（二）超疏水自清潔性自清潔的表面處理在去年SARS流行後受到廣泛的注意，要達到超疏水性表面之功能必須具備兩項條件：(1)表面粗糙結構(如圖二)(2)低表面能量。圖二粗糙結構部份的植物與雁、鴨等動物類似的自清潔機制：(1)雁鴨：雁鴨的羽毛表面主要組成成份亦為油脂類，而羽毛的層狀微結構中又藏有空氣，所以雁鴨即使在水中也不會弄羽毛，不會造成其飛行時的阻力，在空中飛翔時更可藉此來降低與空氣間的摩擦力，使飛行時更省力。(2)蝴蝶：蝴蝶翅膀的微小構造皆有像蓮花般的粗糙結構，其粗糙度比較均勻，經光照反射形成亮麗的顏色與奈米粗糙度有相當的關聯性，如圖四所示。圖三疏水表面的接觸角圖四蝴蝶翅膀與均勻的疏水性微結構有關為了使基材表面具有粗糙度，又可以提升疏水性能，其形成方法有下列三種：(1)機械方法：以一外力施於基材表面，使其具不同的幾何結構(2)施以一低表面能材料，被覆於粗糙表面基材(3)以奈米粉體為粗糙度的來源，再藉粉體表面改質，使粉體上有低表面能的高分子或疏水處理。圖五表面改質示意圖蓮花效應也有失靈時美國的兩位研究學者發現，若只考慮水滴或水珠，蓮葉確實呈現超疏水現象(superhydrophobicity)，一旦遇上凝結的水蒸氣，蓮葉卻反而呈現親水性(hydrophilic)。美國密西根州通用汽車公司研發中心的Yang-TseCheng及利卡多MEDA技術服務中心的DanielRodak將蓮葉置於水蒸氣源之上，數分鐘後水汽開始在葉面上凝結形成小水滴，隨著凝結持續進行，部分小水珠會合併成較大的水珠，繼續停留在葉面，並未如預期一般形成滾動的水珠。Cheng和Rodak指出，水蒸氣凝結成的水滴陷在葉面的奈米微管之間，隨著小水滴逐漸連接合併，最後會填滿葉面介於微米級突起物之間的凹處，因此對於落在葉面的外來水珠產生黏滯效果，使葉面展現親水性而非疏水性。Cheng表示目前最大的問題是超疏水表面是否真能存在，而這一類的凝結實驗對於了解材料表面潮濕行為極為關鍵，因此應該納入對疏水材料的標準評鑑程序中。