X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Эффект лотоса
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы проекта
Почитаемый с древних времен лотос таит в себе массу загадок. И одна из них, которую человек смог разгадать, изучить и поставить себе на «службу» - это «эффект лотоса». «Эффект лотоса» является одним из самых известных явлений, которое связывают с практическим использованием и развитием нанотехнологий. На основе этого явления были разработаны защитные нанопокрытия, которые призваны сохранить и увеличить срок эксплуатации различных поверхностей. Продукция на основе нанотехнологий, использующая этот эффект, может быть использована и в быту, и в промышленности, и, возможно, в медицине. Это настоящий прорыв в истории человечества. Я решила проверить получится ли создать в домашних условиях водонепроницаемые поверхности, используя «Эффект лотоса».
В ходе исследования была поставлена цель: проверить возможность создания водонепроницаемой ткани в домашних условиях.
Для достижения поставленной цели были выдвинуты следующие задачи:
Проанализировать разнообразные источники информации по данному вопросу.
Изучить методики создания влагонепроницаемых тканей, выбрать среди них самую доступную.
Применить выбранную методику на практике.
Провести испытание гидрофобных свойств ткани.
Объект исследования:гидрофобные покрытия.
Предмет исследования:водонепроницаемость покрытий.
Гипотеза исследования: предположим, что узнав сущность эффекта лотоса, можно создать материал с особыми свойствами.
При выполнении исследовательской работы были использованы следующие методы исследования:
- анализ литературы и интернет - источников по теме;
- анализ понятийного аппарата;
- систематизация;
- обобщение;
- наблюдение;
- эксперимент;
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ГИДРОФОБНОГО СВОЙСТВА ПРЕДМЕТОВ
1.1 Определение понятия «эффект лотоса»
В 1975 году ученый из Ботанического института города Бонна Вильгельм Бартлотт изучал структуру поверхности листьев различных растений с помощью растрового электронного микроскопа. Уже тогда он вместе с коллегами обратил внимание на удивительную чистоту некоторых оранжерейных растений, таких как настурция, лотос, кольраби. Их листья казались свежевымытыми, тогда как листья других растений были покрыты глинистыми и известковыми пятнами. [1]
В то время общепринятым было мнение, что чем более гладкая поверхность, тем труднее на ней удерживается влага и, соответственно, грязь. И каково же было удивление ученых, когда они поняли, что самыми грязными оказались именно растения с гладкой поверхностью, а те, у которых под микроскопом была обнаружена шероховатая поверхность, были идеально чистыми и сухими. Особенно ярко это свойство выражалось у лотоса. Его листья, покрытые микроскопическими бугорками, отталкивали воду и грязь. Так был открыт «эффект лотоса».
С помощью электронных микроскопов исследователями было обнаружено, что листья и цветки некоторых растений выделяют воскоподобное вещество кутин, представляющее собой смесь высших жирных кислот и их эфиров, которые образуют на поверхности особую структуру (нанорельеф) в виде «шипов».[2]
Оказалось, что вся поверхность листьев лотоса густо покрыта микропупырышками высотой около 10 мкм, а сами пупырышки, в свою очередь, покрыты микроворсинками ещё меньшего размера. Исследования показали, что все эти микропупырышки и ворсинки сделаны из воска, обладающего, как известно, гидрофобными свойствами. Именно пупырчатая структура поверхности листьев лотоса значительно уменьшает их смачиваемость.
Капля воды, попадая на такую бугристую поверхность, не может равномерно расположиться на ней, т.к. этому мешают силы поверхностного натяжения. Поэтому капли скатываются с поверхности листа, не оставляя следа и смывая грязь, пыль и бактерии.
Лишь вначале 1990-х Бартлотту удалось воспроизвести механизм, изобретенный природой, в лаборатории на искусственных поверхностях.
Эффект лотоса — эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и лепестках растений рода Лотос (Nelumbo), и других растений, как например настурция, тростник обыкновенный и водосбор.[1]
Рисунок 1. Капля воды на листе лотоса
Эффект возникает как по причине особенностей микростроения поверхности, так и по причине её высокой гидрофобности. (Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φόβος — боязнь, страх) — это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой) Биологическое значение эффекта лежит в защите растения от заселения микроорганизмами, грибами и водорослями. [5]
Рисунок 2. Эффект лотоса: капли катятся по поверхности листа,
захватывая посторонние частицы (компьютерная графика)
1.2 Применение «Эффекта лотоса» в разработках нанотехнологий
Уникальное природное свойство цветка может быть использовано в промышленности и в быту. Лотосовые покрытия были бы незаменимы во многих сферах жизни человека. Создание стекол, с которых бы стекали мельчайшие капельки воды с растворенными частичками грязи. Создание плащей и другой специальной одежды. Создание самоочищающихся фасадов зданий. Это только единичные примеры использования уникального свойства лотоса. Нанотехнологии позволяют создавать самоочищающиеся покрытия и материалы, обладающие также водоотталкивающими свойствами. [3]
Нанотехнологии и водонепроницаемые ткани.
Самая перспективная на сегодняшний день область – нанотехнология – оказала свое влияние и на текстильную промышленность: ученые делают попытки изменить природу материалов на молекулярном уровне.
Следует отметить, что в настоящее время на основе «эффекта лотоса» разработан малозагрязняющийся бактерицидный текстиль, непромокающие дождевые плащи и зонтики, водоотталкивающие спортивные купальные костюмы, а также многое другое.
Защитные покрытия актуальны для защиты одежды, используемой в экстремальных условиях и в повседневной жизни. Защитное покрытие для ткани обволакивает ее волокна, придавая поверхности уникальные свойства. Ткань не намокает и легко очищается.
Если водоотталкивающий эффект ослабел, то в этом, скорее всего, виновато загрязнение нанопокрытия. В этом случае ткань нужно почистить при помощи мягкого очищающего средства, а в заключение - хорошенько промыть проточной водой. После этой простой процедуры водоотталкивающий эффект опять будет восстановлен после высыхания. [6]
Рисунок 3 Рисунок 4
Отличительные свойства:
препятствует появлению различного рода загрязнений;
не препятствует проникновению воздуха;
не изменяет внешний вид изделия;
облегчает удаление жировых загрязнений;
увеличивает срок эксплуатации текстильного изделия;
длительный срок службы.
ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ И ФАКТОРОВ, СПОСОБСТВУЮЩИХ ГИДРОФОБНОСТИ НЕКОТОРЫХ ПРЕДМЕТОВ
2.1 Эксперимент по созданию влагонепроницаемых тканей
Для создания непромокаемой ткани берем хлопковую ткань, пропитаем ее специальным раствором и высушим на воздухе.
Для приготовления раствора мы в 1 л воды растворили при легком помешивании 30 г мыла, нагревая раствор до 60-70˚С. В теплый раствор погрузили обрабатываемый материал. Через 20-30 мин достали его, слегка прополоскали холодной водой, погрузили на 20-30 мин в теплый 8-10% раствор алюмокалиевых квасцов. Затем материал хорошо промыли в холодной воде, опять погрузили на 10-15 мин в теплый раствор мыла и на 10-15 мин в раствор квасцов. (Приложение 1)
2.2. Проведение экспериментальных опытов на определение устойчивости гидрофобных свойств ткани
Для определения гидрофобных свойств ткани мы провели следующие опыты.
Опыт № 1. Определение устойчивости гидрофобных свойств ткани (Приложение 2)
Оборудование: вода, обычная ткань(1) и ткань с «эффектом лотоса»(2).
Ход работы:
Медленно налить воду на поверхность образца №1 и образца №2.
Зафиксировать результат с помощью фотоаппарата
Результат:
При наливании воды на поверхность образца №1, жидкость быстро стала впитываться и расплываться по поверхности ткани.
При наливании воды на поверхность образца №2, жидкость не впитывается и не растекается, а собирается в капли. Легко удаляются с поверхности, не оставляя мокрых пятен.
Опыт № 2. (Приложение 3)
Оборудование: чёрный чай, обычная ткань(1) и ткань с «эффектом лотоса»(2).
Ход работы:
Медленно налить чай на поверхность образца №1 и образца №2.
Зафиксировать результат с помощью фотоаппарата.
Результат:
При наливании напитка на поверхность образца №1, жидкость быстро стала впитываться и окрашивать поверхность ткани.
При наливании напитка на поверхность образца №2, жидкость не впитывается и не растекается, а собирается в капли. Легко удаляются с поверхности, не оставляя пятен.
Опыт №3.
Показателем того, что материал обладает хорошим водоотталкивающим эффектом, будут спички. Нужно проверить, сохранят ли они свою способность воспламеняться после нескольких часов пребывания в воде. Если сохранят, значит наноповерхность работает.
Чтобы проверить ткани на влагопроницаемость мы взяли спички, плотно сложили между собой и завернули в ткань, обработанную средством, в несколько слоев. Чтобы исключить разворачивание ткани, образцы обмотали нитками. Получился «кокон», внутри которого находились спички. Для того чтобы проверить сохранилась ли влагонепроницаемость образца ткани через сутки. Кокон мы поместили в воду на 24 часа, после этого «кокон» мы вынули из воды, развернули и проверили спички. (Приложение 4)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Эффект лотоса – эффект очень низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и цветках растения рода Лотос. Только с изобретением электронного микроскопа эффект лотоса стал известен. Все дело в микроскопических бугорках, которыми покрыты листья. Капля воды, попадая на бугристую поверхность, не может на ней равномерно расположиться, т.к. этому мешают силы поверхностного натяжения. Поэтому капли скатываются с поверхности листа, не оставляя следа.
Сегодня существует много вещей, обладающих эффектом лотоса. Создана водооталкивающая краска для фасадов зданий, спрей для временных самоочищающихся покрытий, ложка-неприлипайка для меда, не загрязняющийся кухонный фартук. Создание специального покрытия для стройматериалов, с помощью нанотехнологий способного противостоять загрязняющему воздействию водных и нефтяных капель. В итоге достигается так называемый «эффект лотоса»: капли, как шарики, скатываются с поверхности листа, сохраняя его всегда чистым и сухим, смывая одновременно всю грязь и никогда не оставляя следов.
В ходе проведенного исследования мы пришли к следующим результатам:
Удалось создать гидрофобную ткань;
Проверили её водонепроницаемые свойства.
Выяснили причину несмачиваемости некоторых поверхностей.
Рассмотрели практическое применение «эффекта лотоса».
Таким образом, цель нашей работы достигнута, гипотеза подтвердилась.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамзон, А.А. Возьмем за образец лист лотоса [Текст] / А.А. Абрамзон. – Химия и жизнь.- 1982. - № 11. – С.38-40.
2. Жданов, Э.Р. Учебные демонстрации с элементами «нано» [Текст] / Э.Р.Жданов, А.Н.Лачинов, А.Ф.Галиев. – СПб: Школьная лига, 2013. – 80 с.
3. Озерянский, В.А. Познаем наномир: простые эксперименты: учебное пособие [Текст] / В.А.Озерянский, М.Е.Клецкий, О.Н.Буров. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013.- 142 с.
4. Непромокаемые ткани [Электронный ресурс] / - URL: http://www.anytech.narod.ru/
5. Отделка тканей. Гидрофобизация [Электронный ресурс] / - URL: http://www.weaving-mill.ru/
6. Химия и производство: водонепроницаемые ткани и другие материалы [Электронный ресурс] / - URL: http://www.lformula.ru/
7. Эффект лотоса [Электронный ресурс] / - URL: http:// ru.wikipedia.org
8.Эффект лотоса [Электронный ресурс] / - URL:http://thesaurus.rusnano.com/wiki
Приложение 1
Эксперимент по созданию влагонепроницаемых тканей
В 1 л воды растворили 30 г мыла.
В теплый раствор поместили ткань. Через 20-30 мин достали её, слегка прополоскали холодной водой.
Поместили ткань на 20-30 мин в теплый раствор квасцов.
П
Образец № 1
Жидкость быстро стала впитываться и расплываться по поверхности ткани
Образец №2
Жидкость не впитывается и не растекается, а собирается в капли. Легко удаляются с поверхности, не оставляя мокрых пятен.
риложение 2
Опыт № 1. Определение устойчивости гидрофобных свойств ткани
Приложение 3
Опыт № 2
Образец № 1
Жидкость быстро стала впитываться и окрашивать поверхность ткани.
Образец № 2
Жидкость не впитывается и не растекается, а собирается в капли. Капли легко удаляются с поверхности, не оставляя пятен.
Приложение 4
Опыт № 3
Взяли спички, плотно сложили между собой и завернули в ткань, обработанную средством, в несколько слоев. Поместили в воду на 24 часа
После окончания опыта спички горели.
15