XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение и применение эффекта самоочищения для различных поверхностей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Каналы А.Ю. 1

---

1МБОУ "СОШ № 8 г.Выборга"

Егорова Т.Ю. 1

---

1МБОУ "СОШ № 8 г.Выборга"

Работа в формате PDF

729.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

С помощью простых и эффективных приемов растения и животные очищают себя. Техника и наука пользуется этими изобретениями природы.

Индийский лотос растет в тинистой воде. Однако он остается очень чистым. Грязь, которая попадает на листья цветка, не задерживается на них. Небольшого количества воды достаточно, чтобы эта грязь могла стечь. Вода, попадающая на поверхность листьев, сворачивается в шарикообразные капли. При стекании с листа вода заодно захватывает с собой частицы пыли, тем самым очищая поверхность растения. Этот процесс называют самоочисткой и говорят об «эффекте лотоса». Эффект возникает как по причине особенностей микростроения поверхности, так и по причине её высокой гидрофобности. Биологическое значение эффекта лежит в защите растения от заселения микроорганизмами, грибами и водорослями. Похожим образом устроены крылья бабочек и многих других насекомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они потеряли бы способность летать.

Благодаря своим свойствам самоочищения цветок лотоса стал в буддизме символом чистоты.

Одно из практических направлений изучения этого эффекта — создание так называемых супергидрофобных материалов.

Поэтому мы решили узнать: как свойства самоочищения могут применяться для нужд человечества.

Актуальность работы: применение эффективных приемов самоочищения для нужд человечества.

Цель работы: создание и применение самоочищающихся составов на различных текстильных поверхностях.

Задачи:

1. Изучить общие сведения об «эффекте лотоса», используя литературные источники.

2. Изучить свойства и приемы самоочищения, применяемые на технических поверхностях.

3. Создать состав с эффектом самоочищения для текстильной поверхности.

Методы исследования:

1. Работа с источниками информации. Теоретические исследования.

2. Экспериментальные методы.

3. Наблюдение и фотографирование.

4. Анализ полученных результатов.

1. Теоретическая часть. Основные сведения об «эффекте лотоса»

1.1. Эффект лотоса в природе

Как лотос поддерживает чистоту? Если рассмотреть лепесток под микроскопом, то на его поверхности будут заметны чрезвычайно маленькие узелочки-шишечки. На одном миллиметре их минимум 20. Они состоят из нанокристаллов растительного воскоподобного вещества, которое отделяется от листа и заставляет поверхность «бояться» воды. Эти узелки препятствуют тому, чтобы частицы грязи и воды приходили в соприкосновение с поверхностью листа. Таким образом, они загрязняют только узелки. Если на лепесток попадает капля воды, то она катится от узелка к узелку и собирает частицы грязи. Так лист очищается. При опытах даже клейкое вещество не задерживалось на листьях лотоса. (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. Природа данного явления заключается в том, что капля, попадая на шершавую поверхность листа, как бы повисает на этих неровностях-иголках и не может коснуться основной поверхности. Таким образом, вода взаимодействует только с кончиками выступов, тем самым, радикально уменьшая площадь соприкосновения капли с поверхностью, что приводит к появлению супергидрофобных (от греч. фобио – бояться) свойств.

1.2. История открытия «эффекта лотоса»

В 70-е годы прошлого века ученый из Ботанического института города Бонна Вильгельм Бартлотт (фото) изучал структуру поверхности листьев различных растений с помощью электронного микроскопа. Уже тогда он вместе с коллегами обратил внимание на удивительную чистоту некоторых оранжерейных растений, таких как настурция, лотос и кольраби. Их листья казались свежевымытыми, тогда как листья других растений были покрыты глинистыми или известковыми пятнами.

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, прямо-таки отталкивали воду и грязь. Так был открыт эффект лотоса в 1990-х годах, хотя о свойствах листьев лотоса известно давно. Профессор Вильгельм Бартлотт искал возможность перенести эту природную форму самоочистки на технические поверхности. Так, например, он нанес на поверхность ложки из искусственного материала микроструктуры по образцу листа лотоса. Мед не остается на этой ложке, а стекает каплями, как растительное масло. Так, благодаря особому покрытию мед стекает с ложки.

Через несколько лет после открытия основ эффекта ученые смогли повторить подобные эксперименты на рукотворных объектах. Дальнейшее развитие технологий позволило через 20 лет после открытия эффекта поставить его на службу человечеству. В этом смысле эффект Лотоса является одним из рекордсменов по быстроте проникновения фундаментальной научной идеи в нашу повседневную жизнь.

1.3. Поверхности с эффектом самоочищения

Над применением «эффекта лотоса» в промышленности работают ученые многих стран мира. Пока создано несколько покрытий, отвечающих подобными свойствами. Первое из них создано в Японии – это тончайшая пленка с выступами и впадинами. Регулируя условия, в которых проходит процесс, авторы получили прочную, износостойкую и одновременно прозрачную гидрофобную плёнку для многих систем. Сверхгидрофобной плёнкой можно покрыть многие поверхности: стекло, пластик, бумагу.

В промышленности была, например, разработана краска, которая при высыхании образует маленькие бугорочки. Они возникают из мельчайших частиц, которые добавляются в краску. Так, при нанесении краски создается водоотталкивающая поверхность из микроструктур. Как у листа лотоса, они препятствуют соприкосновению воды, пыли и грязи с окрашенной поверхностью. Ни вода, ни пыль, ни грязь на такой поверхности не задерживаются. Вода стекает каплями, увлекая за собой капли грязи. Поверхность остается сухой и чистой.

1.4. Значение и применение самоочищающихся поверхностей

Учеными и инженерами были разработаны самоочищающиеся поверхности: черепица, стекла окон, керамика. Например, умывальник, ванна, лак для дерева и автолак, которые действуют по принципу лотоса. Кроме того, создается грязеотталкивающий текстиль. Все эти самоотталкиающие поверхности из микроструктур позволяют экономить время, энергии, воду и моющие средства. Например, автомобиль с таким покрытием не нужно часто мыть, так как дождь и роса смогут очистить его от грязи.

Самоочищающиеся поверхности имеются и в животном мире. Когда навозный жук, например, выбирается из коровьего навоза, оказывается совершенно чистым. Большие южноевропейские осы сколии закапываются на 0.5 м в песок, в землю или в навозную кучу, чтобы найти личинок жуков-носорогов, на которых они откладывают свои яйца. Когда они выбираются наружу, они остаются чистыми. Подобное наблюдается и у жуков, живущих в воде. Когда они поднимаются из воды, грязь стекает с их гладких надкрылий. Исследования показали, что поверхность их надкрылий и крылья других жуков сходны между собой. При самоочистке у этих жуков к хорошо известным добавляются также неизученные эффекты. Наш эксперимент – приготовить состав с эффектом самоочищения и применить для образцов текстильной поверхности.

2. Практическая часть. Создание состава с эффектом самоочищения

2.1. Выбор и подготовка посуды для работы.

Оборудование:

• весы, химические стаканы, химическая воронка, бумажные фильтры, стеклянная палочка с резиновым наконечником, , шпатель.

2.2. Практические опыты.

Практический опыт 1. Приготовление состава с эффектом очищения

Цель - приготовить раствор для придания водоотталкивающего свойства ткани.

Сырье и материалы (фото 1):

- вода; глауберова соль, декстрин, бура; ткань.

Изучение внешнего вида и физических свойств используемых веществ изложен в виде таблицы 1 Исследование физических свойств веществ.

Таблица 1. Исследование физических свойств веществ

Фото1.Сырье для приготовления состава. Фото автора

Процесс приготовления раствора изложен в таблице 2 «Приготовление раствора»

Таблица 2 «Приготовление раствора»

Фото 2-4. Взвешивание веществ. Фото автора.

.

Фото 5-6. Приготовление раствора. Фото автора.

Дальнейший ход работы описан в таблице 2 «Нагревание раствора»

Таблица 2 Нагревание раствора

Фото 7-9. Нагревание раствора. Фото автора.

Фото 10-12. Обработка ткани приготовленным составом. Фото автора.

Результат: получен горячий раствор.

Дальнейший ход работы: с помощью обычной кисти нанести раствор в горячем виде на внешнюю сторону ткани (рис. 10). Просушить обработанную ткань (не отжимая) на воздухе (рис. 11). Затем погладить горячим утюгом (рис. 12).

Результат: ткань приобрела водоотталкивающие свойства: вода сбегает с одежды, не смачивая её.

Вывод: приготовленный раствор можно использовать для наружного покрытия верхней одежды, чтобы сделать её непромокаемой. Таким образом, мы усовершенствовали прежние свойства ткани (прежде одежда промокала от воды, а теперь ткань приобрела новые свойства).

Заключение: такой способ обработки ткани, при которой ткань приобретает новые свойства (в частности, водоотталкивающие) - называется аппретирование.

Практический опыт 2. Исследование гидрофобных свойств материалов

Цель: исследовать проявление «эффекта лотоса» на искусственных поверхностях.

Сырье: вода, образец 1 - обычная ткань, образец 2 - ткань с «эффектом лотоса» (из опыта №1).

Ход работы: 1. Медленно налить воду на поверхность образца №1 и образца №2.

Результат: 1.При смачивании водой поверхности образца №1 жидкость быстро стала впитываться и расплываться по поверхности ткани. (фото 13)

2. При смачивании водой поверхности образца №2 жидкость не впитывается и не растекается, а собирается в капли, которые легко удаляются с поверхности, не оставляя мокрых пятен. (фото 14)

Фото13. Образец №1. Фото автора Фото14. Образец №2. Фото автора

Заключение

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.

В настоящее время продукция на основе нанотехнологий, использующая «эффект лотоса» уже поступила в продажу. Это, в первую очередь, очистительные и полировочные аэрозоли. «Эффект лотоса» - уникальное природное свойство цветка. Оно может быть использовано и в быту, и в промышленности, и, возможно, в медицине. Незаменимое значение «эффекта лотоса» в том, что оно позволят экономить водные ресурсы нашей планеты.

Список литературы

1. Журин А.А., Зазнобина Л.С. Начала химического эксперимента: Практические занятия по химии. 8-й класс сред.общеобразоват. школы. –М.: Школьная Пресса, 2001 – 128 с.

2. Большая серия знаний. Бионика – М.: ООО «ТД Издательство Мир книги», 2005 -128с.

3. Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1975 – 303с.