篇名 : 奈米科技 - 蓮花效應的研究與應用 作者 : 吳嘉洋 國立政治大學附屬高級中學 高一年三班
壹 前論 : 微步在蓮花池旁的木棧道上, 愜意的微風, 輕輕拂過我的臉頰, 全家人一起欣賞, 眼前這片美好的景致, 經過了朝露的洗禮, 蓮葉顯的澄淨無比, 我撥動蓮葉, 使的蓮葉上的水珠, 滾來滾去, 通通都集中在同一片葉子, 我發現, 不只晶瑩的水滴不會散掉, 而且每當水滴經過的地方, 蓮葉就彷彿洗過澡一樣, 一塵不染 我不經好奇, 為甚麼蓮葉不必像我們一樣, 用沐浴乳, 才能將自己洗淨, 而是水滴畫過的地方, 他自然而然, 就變得非常乾淨, 上帝的安排與巧思, 不禁讓我佩服萬分! 奈米科技, 遍佈於我們的生活周遭, 何謂奈米科技, 簡單地說是經由奈米尺度下對物質的控制, 以創造及利用材料 結構 裝置或系統 小小的蓮葉中, 也隱含著奈米科技喔, 讓我們一同來了解與探討吧! ( 圖一 ) 若將地球的直徑比為一公尺, 那麼奈米就只是一個玻璃彈珠的大小, 若將大象比 為一公尺, 那麼奈米就只有 DNA 那樣的大小而已. 由此可見奈米示多麼的微小
貳 正文 : < 一 > 蓮花效應與奈米的關聯 何為蓮花效應 ( lotus effect )? 蓮花效應指的是蓮葉表面的自潔 (self-cleaning) 與超疏水功能 1982 年, 德國波昂大學的植物學家威爾漢. 巴斯洛發現, 蓮葉的表面具有天然的潔淨能力與防水性, 玄機就在於蓮葉蠟質似奈米構 造, 由於接觸角的緣故, 他會讓水像水銀一樣結成珠狀滾落, 這就是著名的 蓮 花校應理論 水滴在蓮葉上, 就能夠形成橢圓的形狀, 不會散掉, 進而能夠帶 走塵土, 使蓮葉達到自潔的效果 ( 注一 ) ( 圖二 ) 由於蓮葉上的細小突起 ( 此微奈米級構造 ), 因此能夠讓水滴成珠狀 < 二 > 自我靜潔能力的原理蓮葉表面具有超疏水性 (superhydrophobicity) 以及自潔 (self-cleaning) 的特性 所謂的疏水性或親水性, 是指水珠在接觸表面的接觸點之切線與接觸表面的夾角, 如果小於 30 度則為親水性, 如果大於 90 度則為疏水性, 如果大於 150 度則屬於超疏水性 蓮葉具有超疏水性, 主要是因為具有奈米結構 ; 由於蓮葉表面細緻的結構, 宛如 釘床 可以撐起水珠, 且最上層具有防水物質, 故能長時間維持, 而水珠則因表面張力的緣故而呈現出圓滾滾的外觀 當微風輕吹, 荷葉晃動, 水珠便會在荷葉表面快速滾動, 當水珠在荷葉表面滾動時, 便會將附在表面的灰塵污垢帶走, 使得荷葉長保潔淨, 這就是荷蓮的自潔性 ( 註二 )
< 三 > 蓮花效應示意圖 ( 圖三 ) (a) 水在親水性的表面上散開 (b) 水在疏水性的表面上形成水珠 ( 圖四 ) 親水性和疏水性的表面
( 圖五 ) 如 ( 圖五 ) 微纖毛的構造就是奈米層級的構造, 正是因為這些蓮葉上的細微纖 毛, 使的接觸角能夠這麼大 ( 圖六 )
( 圖七 ) ( 圖八 ) ( 圖八 ) 中兩紅線所夾的角即為 接觸角
當液體滴在固體表面上時, 固體表面和液滴切線的夾角, 就是所 謂的接觸角 而濕潤張力和接觸角的關係, 可以用 楊格方程式 氣 固界面張力 - 液 固界面張力的 = 氣 液界面張力 接觸角的餘弦函數 ( 註三 ) ( 圖九 ) 細微結構與自潔作用關聯之示意圖 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 若我們的衣物也能利用蓮花效應的原理, 就能如同蓮葉一般防水防塵
水滴在蓮葉上帶走塵土 ( 圖十 ) 参 蓮花效應的應用 : ( 一 ) 現在 1. 高山防寒防水的衣料 2. 防塵塗料 3. 救生衣 ( 浮力大增 ) 4. 棉被 ( 對於易過敏的人能夠達到防塵效果 ) 5. 雨衣 6. 雨傘 7. 驗孕試劑 8. 奈米網球與排球等等 ( 二 ) 未來 1. 螢光粉末 ( 能直續發, 壽命較長 ) 2. 塗料 ( 用於房屋外壁, 防潮 防霉 防壁癌 ) 3. 塗料 ( 用於水管內壁, 就此可解決水管阻塞, 使水夠不會附著 ) 4. 化妝品 ( 避免遇水後, 須重新上妝 )
肆 補充 : ( 一 )-7 懷孕 3~4 週的婦女可直接在試劑上滴上尿液, 而奈米金顆粒會和尿液中某種蛋白質作用, 產生紅色反應, 即可知懷孕與否 ( 註四 ) ( 一 )-8 奈米網球 奈米排球也相繼問世, 在球類表面塗覆奈米顆粒, 又能阻絕氣體, 不易沾上汗滴 今年 2 月, 在美國開打的戴維斯盃網球賽即是用奈米網球 ( 註五 ) 伍 : 結論 : 奈米科技, 是一九九 年才逐漸為人所知的科技領域 然而在這短短的幾年當中, 各國都在致力於奈米科技的研發,, 我想在未來, 奈米科技一定和我們, 的生活更息息相關,1 奈米是十億分之一米 在這個刻度之下的元件, 很多的物質都能顯的體積更小更省電, 對於我們的地球是有一大幫助 古人云 : 蓮, 出淤泥而不染 我想這都要歸功於蓮葉上的微小禿起, 使的水珠能夠自然而然的成為蓮葉的幫手, 潔淨自身 著名的蓮花效應理論, 對於我們現今的社會, 又跨出了一大步, 小小的觀察, 就能使我們受用無窮, 利用蓮花效應, 我們做出對我們人類和地球更有用的東西, 例如以後對於衣服, 就不必再擔心不小心沾到墨水, 或是很容易髒的問題 現今, 蓮花效應已成微奈米科技不可或缺的一環, 感謝人們的智慧, 因為, 我們從大自然給我們的啟示中, 學習到了很棒的一課 陸 註 : ( 註一 ): 科學人雜誌 75 期 ( 註二 ): http://www.wretch.cc/blog/fukulou/9187436 ( 於 2008/10/25 查詢 ) ( 註三 ): 維基百科
http://zh.wikipedia.org/wiki/%e8%93%ae%e8%8a%b1%e6%95%88%e6%87%89 ( 於 2008/10/25 查詢 ) 柒 圖片來源 ( 圖一 ) : 圖解奈米科技與光觸媒 ( 呂宗昕著, 商周出版社 ) ( 圖二 ) :http://nano.nchc.org.tw/dictionary/lotus_effect.html ( 於 2008/10/26 查詢 ) ( 圖三 ) :http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html( 於 2008/10/26 查詢 ) ( 圖四 ) :http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html ( 於 2008/10/26 查詢 ) ( 圖五 ) :http://www.ttsh.tp.edu.tw/~a001/science/9748/tisf2008/030005.pdf ( 於 2008/10/23) ( 圖六 ) : 維基百科 http://zh.wikipedia.org/wiki/%e8%93%ae%e8%8a%b1%e6%95%88%e6%87%89 ( 於 2008/10/23 查詢 ) ( 圖七 ) :http://www3.jrps.ptc.edu.tw/nanometer/seminar.htm#1 ( 於 2008/10/23 查詢 ) ( 圖八 ) : 小畫家自繪 ( 於 2008/10/23 繪 ) ( 圖九 ) :http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html ( 於 2008/10/26 查詢 ) ( 圖十 ) :http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html ( 於 2008/10/26 查詢 )