XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Эффект лотоса, или как с гуся вода
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
«Как с гуся вода», «Выйти сухим из воды», «Море по колено» - говорим мы про человека, которому все нипочем, который ничего не боится, которой с легкостью выходит из сложных ситуаций. Еще в древности люди приметили способность этой птицы отталкивать воду. Оттуда и тянутся фразеологизмы, заговоры, упоминающие этот факт. Ведь раньше люди не знали, почему гусь остается сухим, и связывали это с мистикой. По этой причине в древности именно гусь стал символом неуязвимости.
Вскоре мистика этого явления была раскрыта. Все оказалось просто. Гусь ежедневно обрабатывает свои перья гусиным жиром, который выделяется из копчиковой железы. Благодаря этой смазке гусиные перья и отталкивают воду.
Человек быстро понял, что природа умна и в ходе эволюции, на которую уходят миллиарды лет, выводит удивительные, уникальные и даже загадочные свойства.
Наблюдая за листом лотоса, который всегда идеально чист, приходит осознание того, что природа гениальна и нам еще многому у нее предстоит научиться.
Актуальность исследования состоит в том, что способность отталкивать воду и грязь имеет практическое значение. Осенне-зимний период в Краснодарском крае - время дождей и повышенной влажности. Поэтому данный вопрос особо актуален для нашего региона.
Гипотеза: используя подручные материалы, возможно добиться эффекта лотоса.
Объект исследования: лист и цветок лотоса.
Предмет исследования : эффект лотоса.
Цветы лотоса растут в заболоченных местах, но при этом чисты и красивы. Это свойство отталкивать воду и грязь имеет практическую значимость в повседневной жизни. И было бы не плохо, используя подручные материалы, попробовать создать водоотталкивающую ткань либо пропитку, с помощью которой можно защитить одежду и обувь от дождя и грязи.
Цель исследования: изучить эффект лотоса, создать водоотталкивающую пропитку, используя подручные материалы, и проверить ее в действии.
Задачи исследования:
-
Изучить тематическую литературу.
-
Проверить гидрофобность листа лотоса в естественной среде.
-
Провести сравнительный анализ гидрофобных растений.
-
Создать водоотталкивающую пропитку и проверить ее в действии.
-
Сшить водоотталкивающий чехолдля школьного рюкзака.
-
Сделать выводы.
Методы исследования:
1. Наблюдения.
2. Экспериментальные исследования.
3. Анализ.
ГЛАВА 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
1.1. Лотос символ жизни и чистоты
Лотос - древнейший цветок на земном шаре. Он пережил ледниковый период и видел птеродактилей и динозавров. Археологи находят его останки даже в Арктике.
Лотос считается священным во многих культурах мира. Он воплощаетв себе образ идеала, безупречности, мудрости, духовной чистоты и бесконечной жизни. Лотос — символ жизни и счастья. Поскольку он поднимается из грязи, сумев не испачкаться, то почти повсеместно является символом чистоты, совершенства и красоты.
Жители Востока и Китая изображали своих богов сидящими на сказочно красивом цветке. Богини непременно украшали цветами лотоса свои прически.
Этот невероятной красоты цветок является многолетним, теплолюбивым, требовательным земноводным растением, единственным представителем семейства лотосовых. В природе он произрастает в дельтах рек, илистых протоках, заболоченных озерах. Имеет ползучие мощные корневища до пяти сантиметров в диаметре, которые погружены в песчано-илистое дно. Листья круглые, плоские, напоминающие тарелки. Цветы лотоса могут быть белыми, желтыми или розовыми.Имеют чрезвычайно приятный тонкий аромат.Цветут не более трёх-пяти дней и всегда обращены к солнцу. Внутри цветка располагается плод-коробочка. В нем находятся семена в виде темных орешков с плотной кожурой.Лотосы расцветают всегда парами: женский и мужской цветок. Из-за этого их называют символом счастливой любви.[1]
1.2. Гидрофобность и гидрофильность
В самом начале нашего исследования мы решили поподробнее познакомиться понятиями гидрофобность и гидрофильность.
Поверхности материалов обладают различными способностями к смачиванию. Форма капли воды при попадании на поверхность может изменяться. Если капля быстро растягивается по поверхности материала, делая ее "мокрой" то эта поверхность называется гидрофильной.
Слово гидрофильность происходит от греческих слов hydor - вода иphilia – любовь и дословно означает любит воду. Соответственно, поверхности, которые хорошо смачиваются водой, называют гидрофильными.
Слово гидрофобность происходит от греческих слов hydor - вода и phуbos - боязнь, страх и дословно означает боязнь воды. А поверхности, которые не способны смачиваться водой, называют гидрофобными. [2]
1.3. История открытия эффекта лотоса
В 1975 г. немецкий ботаник Вильгельм Бартлотт изучал свойство одного из красивейших растений мира - лотоса. Этот удивительный цветок давно привлекал ученых интересной способностью. Его поверхность всегда остается сухой и чистой, даже после самого сильного ливня. Вильгельму Бартлотту удалось разгадать секрет его гидрофобного покрытия.
Вода, попадающая на поверхность листьев и лепестков лотоса, сворачивается в шарообразные капли и стекает вниз. При этом она собирает с поверхности частички пыли, таким образом очищая ее. Оказалось, что все дело в кутине — воскообразном веществе, которым покрыты листы лотоса. Помимо этого, поверхность листьев и цветков лотоса покрыта микроскопическими выступами в виде своеобразных «шипов», которые и представляют собой специфическую наноструктуру не позволяющую молекулам воды соприкоснуться с поверхностью листа лотоса.
Обнаруженный немецким ботаником эффект в 1990 г. получил название «эффект лотоса»— эффект крайне низкой смачиваемости поверхности. [3]
1.4. Эффект лотоса в природе
Как недавно выяснили учёные, бабочки используют два природных «трюка» для того, чтобы поддерживать свои крылья в чистоте: «эффект акульей кожи» и «эффект лотоса».
На чешуе акулы есть микроскопические бороздки, которые уменьшают сопротивление воды, когда акула рассекает воду, а также не дают рачкам и другим нежелательным попутчикам закрепиться. Оказывается, крошечные, подобные черепице чешуйки на крыле бабочки также покрыты упорядочено расположенными микробороздками и неровностями, невидимыми невооружённым глазом. Эта особенность уменьшает сопротивление воздуха во время полёта и не дает дождевой воде удерживаться на поверхности крыла, тем самым предотвращая накопление грязи.Также этому способствуют особенности строения крыла бабочки которое похоже на лист лотоса.
Крылья певчей цикады выглядят прозрачными, как стекло, но при большом увеличении видно, что их поверхность плотно усажена шипиками высотой около 200 нм и диаметром основания 100 нм. Это и позволяет им прекрасно отталкивать воду и грязь.
Помимо бабочек и цикад, крылья многих насекомых обладают эффектом лотоса. Например, крылья стрекоз.
Тело и конечности водомерки покрыты слоем водоотталкивающих жиров, которые препятствуют смачиванию их поверхности. Помимо этого, на кончиках лапок расположены специальные волоски, которые также способствуют удержанию насекомого на поверхности воды.
Не только гусь, но и все водоплавающие птицы способны отталкивать воду. Этот эффект выполняет очень важную роль в жизни водоплавающих птиц. Он обеспечивает им:
- теплоизоляцию, сухое оперение сохраняет тепло, защищая птицу от холода;
- плавучесть, воздух, удерживаемый между водоотталкивающими перьями, уменьшают плотность птицы, помогая ей держаться на воде;
- способность к полету, намокшие перья тяжелые, не позволяют птице взлететь.
Эффект лотоса можно наблюдать также у некоторых млекопитающих, например, у выдры.
Множество растений, наряду с лотосом прекрасно отталкивают воду, например, настурция, капуста, тростник обыкновенный, водосбор и др.[4]
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Доверяй, но проверяй
Изучив массу информации об эффекте лотоса, вопросов у нас стало больше, чем ответов. Чтобы получить ответы и окончательно разобраться в тайне лотоса, мы с родителями запланировали поездку в гости к этим удивительным цветам. Мы живем в уникальном месте, и совсем рядом, в Темрюкском районе, находится Долина лотосов.
Ахтанизовский лиман Краснодарского края — это бывший солёный водоём. Его опреснение произошло около двух веков назад, когда местные казаки прорыли канал, названный Казачьим Ериком и позволивший пресной воде из реки Кубани наполнить лиман. Этот процесс способствовал тому, что на дне водоёма начал копиться ил, что и стало благоприятным условием для разведения лотосов в этом районе.
Туда мы и отправились ранним июльским утром. Надели спасательные жилеты, сели в катер и с ветерком помчались по реке Казачий Ерик.
Мы решили устроить лотосам настоящее испытание. С собой мы взяли несколько бутылочек с разными жидкостями: натуральный кофе, черный чай, кисель, молоко, вода с черной гуашью и жидкое мыло.
Исследовали мы как цветок лотоса, так и его лист.
Первый исследуемый образец - натуральный кофе. Конечно же, холодный, чтобы не повредить краснокнижное растение. Пипеткой набрали кофе и небольшой струйкой вылили на цветок , а затем на лист лотоса. Кофе скатился, не оставив ни следа. Повторили процедуру несколько раз, но нам так и не удалось испачкать ни лист, ни цветок лотоса. (см. Приложение 1)
Далее мы взяли крепкий черный чай. Провели эту же процедуру и даже попробовали лить из бутылки. Но нет, лотос остался чист. (см. Приложение 2)
Мы решили оценить способность лотоса отталкивать молоко. Оно жирное, белое и тоже жидкое. При попадании на лист лотоса, впрочем, как и на цветок, молоко прекрасно скатывалось горошинами, не оставляя ни следа. (см. Приложение 3)
Гуашь очень плохо отстирывается и отмывается с поверхности. Этот факт мне известен еще с детского сада. Ну а испачкаться черной гуашью - самое страшное. Ее то мы и развели в воде, чтобы проверить на прочность лотоса. Но и в этом случае лотос одержал победу. Полностью оттолкнул краску и совсем не испачкался. (см. Приложение 4)
Ягодный кисель вязкий и красный. Мы предположили, что вязкая субстанция не будет отталкиваться также хорошо, как вода. Однако в ходе эксперимента мы убедились, что лотос прекрасно отталкивает кисель такими же горошинами, как и воду. Лист остался сухим и чистым. (см. Приложение 5)
В конце эксперимента мы решили протестировать, как будет вести себя лотос при попадании на него жидкого мыла. И тут то мы удивились по-настоящему. Жидкое мыло не отталкивается ни листом, ни цветком лотоса. Обволакивает его. Все дело в составе жидкого мыла. Основой жидкого мыла является ПАВ (поверхностно-активные вещества) полученные из продуктов переработки нефти. Перед ними лотос бессилен. Мы нашли его слабую сторону, о которой не знали ранее. Кроме этого, водитель лодки поделился с нами историей, когда случайно заправляя мотор бензином из канистры, капля попала на лист лотоса и моментально впиталась. Конечно, мы не стали повторять, но запомнили, что эффект лотоса не работает с продуктами нефтепереработки. (см. Приложение 6)
2.2. Гидрофобность растений в саду
Посмотрев эффект лотоса в деле, мы решили сравнить гидрофобность других растений.
Для этого мы прогулялись и присмотрелись в нашем саду во время дождя. Растения, отталкивающие воду, сразу видны. На их листьях и цветах, словно жемчужины, красуются капельки воды. Особый интерес у нас вызвала роза, колокольчик, лилия и капуста.
Отличительной особенностью лепестка лилии, розы и колокольчика от лотоса является то, что на их лепестках капельки воды задерживаются полусферами, а от лепестков лотоса вода сразу же отскакивает, не задерживается. Отсюда вывод: лепестки этих растений обладают гидрофобностью, но не такой сильной, как лотос. Лотос обладаетсупергидрофобными свойствами.
Лист капусты вызвал у нас наибольший интерес, поскольку по своим гидрофобным свойствам он напомнил нам лист лотоса. Вода также красиво разлеталась в разные стороны круглыми горошинами. Мы убедились, что лист капусты, так же как и лотос, обладает супергидрофобными свойствами. (см. Приложение 7)
2.3. Как с гуся вода
Старый гусь подарил мне свое перо, и мне сразу захотелось изучить его свойства. Для сравнения я взяла перья других птиц, чтобы понять, действительно ли с гуся вода? Может, все перья обладают такими же свойствами.
Итак, у нас есть гусиное перо, перо голубя и перо фазана. Сначала мы попробовали лить воду из пипетки под наклоном на каждое перо. Перо голубя быстро промокло. С пера фазана вода скатывалась, но оставляла влажный след. Перо гуся осталось сухим.
Далее мы усложнили задачу. Погрузили все 3 пера в воду на 20 мин. В ходе данного эксперимента только перо гуся вышло сухим из воды, подтвердив народную мудрость. (см. Приложение 8)
2.4. Сезон дождей
Мы живем в Краснодарском крае. Осенне-зимний период - время дождей и повышенной влажности. Человек всегда подсматривал за природой, и мы не исключение. Природа в ходе эволюции наделила некоторые растения и животных уникальными способностями отталкивать воду и оставаться сухими и чистыми. Изучив эти способности, мы попробуем создать пропитку для одежды и обуви, которая позволит оставаться сухим и чистым во время дождя.
Прежде чем приступить к изобретению, мы проанализировали множество литературы и остановились на наиболее доступных и не дорогих материалах:
- хозяйственное мыло;
- алюминиевые квасцы;
- оливковое масло;
- воск;
- парафин;
- крахмал.
2.5. Пропитка на основе парафина
Самым простым нам показалась пропитка парафином. С нее мы и решили начать. Для честности эксперимента мы будем наносить все материалы на одинаковую ткань.
Мы взяли хлопчатобумажную ткань. Натёрли ее парафином, приложили термобумагу и прогладили утюгом для того, чтобы парафин расплавился и заполнил пространство между волокон ткани. Дали высохнуть ткани и изучили ее свойства. (см. Приложение 9)
2.6. Пропитка на основе крахмала
На этот эксперимент нас подтолкнул древний обычай накрахмаливания белья для того, чтобы оно меньше пачкалось. После процедуры накрахмаливания материал покрывается незаметной пленкой, которая защищает одежду от загрязнения. Раз это пользовалось такой популярностью, наверное, имеет смысл проверить, действительно ли крахмал способен отталкивать грязь, и попробовали использовать этот раствор в своих интересах.
Для начала мы приготовили «крахмальное молочко». Растворили в 100 мл. холодной воды одну столовую ложку крахмала, влили 200 мл. кипятка. Перемешали до однородной массы и довели до кипения. Полученную смесь влили в 1.5 литра теплой воды. В полученном растворе смочили наш образец ткани и высушили утюгом. После отложили полученный образец для последующего сравнительного анализа. (см. Приложение 10)
2.7. Пропитка на основе воска
Для данной пропитки нам потребовался пчелиный воск и оливковое масло. Мы смешали воск с маслом в равных пропорциях и растопили на паровой бане. Получили однородную смесь и смазали с помочью кисточки нашу ткань. На ощупь Ткань получилась жирноватой. Посмотрим, как она себя проявит в деле, способна ли она отталкивать воду. (см. Приложение 11)
2.8. Пропитка на основе мыла и квасцов
Следующим на очереди испытаем пропитку на основе хозяйственного мыла и алюминиевых квасцов. Мы подготовили раствор из хозяйственного мыла и воды. Натерли 100 гр. мыла на терке, и растворили его в 1 литре теплой воды. Перемешали до полного растворения. В полученный раствор поместили ткань.
Пока ткань замачивалась, подготовили раствор алюминиевых квасцов. Мы взяли 25 гр. квасцов и 250 мл. воды. Перемешали до полного растворения.
Ткань вытащили из раствора мыла, отжали и поместили в раствор квасцов.
После замачивания отжали и высушили. (см. Приложение 12)
2.9. Сравнительный анализ
После того как все образцы высохли, пришло время финальных испытаний. Проверим, какая пропитка поможет лучше справиться с влагой.
Для начала оценим образец ткани без пропитки. Обычная хлопчатобумажная ткань прекрасно впитывает воду и является гидрофильной. (см. Приложение 13)
Оценим образец ткани, пропитанный парафином. При визуальном осмотре ткань цвет не поменяла, но была довольно жёсткой. С водой этот образец справился отлично. Капли воды скатывались такими же горошинами, как с листа лотоса. Данная пропитка сделала обычную хлопчатобумажную ткань гидрофобной. (см. Приложение 14)
Следующим мы оценили ткань, пропитанную крахмалом. Цвет ткани не изменился. На ощупь ткань жесткая. При попадании воды она отлично впиталась. Соответственно, крахмал не способен придать гидрофобный эффект ткани. (см. Приложение 15)
Далее на очереди ткань с восково-масленной пропиткой. Оценили внешний вид. Цвет ткани немного изменился, стал более желтоватым. На ощупь ткань маслянистая. Но при попадании воды на поверхность ткань не смачивается. Капли скатываются горошинами. Соответственно, данная пропитка, как и в случае с парафином прекрасно справилась с заданием. (см. Приложение 16)
Далее рассмотрим последний образец, пропитанный хозяйственным мылом и раствором алюминиевых квасцов. Ткань на ощупь жесткая, цвет не изменился. Воду отталкивает, не смачивается. Данная пропитка отлично справилась с поставленной задачей. (см. Приложение 17)
Рассмотрев все образцы, мы смогли найти способы для придания водоотталкивающих свойств ткани. Изучив весь процесс, мы можем дать следующие рекомендации: парафин удобно использовать на ровной ткани, в то время как пропитку с мылом и квасцами можно использовать на любые изделия и даже для придания водоотталкивающих свойств текстильной обуви.
2.10. Создание водоотталкивающего чехла на ранец
Для защиты от дождя я обычно использую дождевик. Конечно, в непогоду хотелось бы защитить мой ранец с пятерками. Именно поэтому мы решили создать водоотталкивающий чехол на школьный ранец. Больше всего мне понравилась пропитка на основе парафина. Ее мы и решили использовать для наших целей.
При помощи мамы мы сшили чехол на резинке, который удобно надевать на ранец. Я натерла его парафином и прогладила утюгом. Теперь моим учебникам и тетрадям не страшен никакой дождь. (см. Приложение 18)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как выйти сухим из воды? Тайна, которую пытаются разгадать тысячи умов. Человек умен, но природа обладает уникальным разумом. Разумом, который никому не ведан, который создан эволюцией. Все в природе связано и гармонично. И мы, конечно, многое подсматриваем и многому учимся. И это здорово.
В ходе исследовательской работы мы проникли в тайный мир и загадки природы. Лотос - величественный цветок, которым восхищаются многие народы, и ни один человек не останется равнодушным к его красоте и чистоте.
Мы изучили водо - и грязеотталкивающие свойства этого цветка, а также свойства других растений и птиц. Изучили кто еще в природе способен оставаться сухим.
В ходе работы мы убедились в способностях лотоса, а также нашли его слабое место. Лотос не способен отталкивать продукты нефтепереработки, в частности жидкое мыло смачивает поверхность листа лотоса.
Способность отталкивать воду имеет практическое значение в повседневной жизни. Человек стремится повторить эффект лотоса и применить это свойство в своих интересах. В ходе работы мы создали несколько пропиток, которые придали обычной хлопчатобумажной ткани водоотталкивающие свойства. Теперь то мы знаем как выйти сухим из воды.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
-
Н.Томчук Лотос - священный цветок Востока /
https://proza.ru/2023/02/13/142
-
Гидрофильность и гидрофобность / М.: Советская энциклопедия, 1978.
-
Эффект лотоса /https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_лотоса
-
Самоочищающиеся чудеса природы /
https://creacenter.org/ru/news/samoochishchayushchiesya-chudesa-prirody
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Гидрофобные свойства лотоса, испытание кофе
Рис.1 Рис.2
Рис.3
Приложение 2
Гидрофобные свойства лотоса, испытание черным чаем
Рис.1 Рис.2
Рис.3
Приложение 3
Гидрофобные свойства лотоса, испытание молоком
Рис.1 Рис.2
Приложение 4
Гидрофобные свойства лотоса, испытание гуашью
Рис.1 Рис.2
Рис.3
Приложение 5
Гидрофобные свойства лотоса, испытание киселем
Рис.1 Рис.2
Приложение 6
Гидрофобные свойства лотоса, испытание жидким мылом
Рис.1 Рис.2
Приложение 7
Гидрофобность растений в саду
Рис.1 Рис.2
Рис.3
Приложение 8
Сравнение водоотталкивающих свойств перьев голубя, фазана и гуся
Рис.1 Рис.2 Рис.3
Рис.4
Рис.5 Рис.6 Рис.7
Приложение 9
Пропитка на основе парафина
Рис.1 Рис.2
Приложение 10
Пропитка на основе крахмала
Рис.1 Рис.2
Рис.3
Приложение 11
Пропитка на основе воска и оливкового масла
Рис.1 Рис.2
Рис.3
Приложение 12
Пропитка на основе хозяйственного мыла и алюминиевых квасцов
Рис.1 Рис.2
Рис.3 Рис.4
Приложение 13
Тестирование ткани без пропитки
Рис.1 Рис.2
Приложение 14
Тестирование ткани пропитанной парафином
Рис.1 Рис.2
Приложение 15
Тестирование ткани пропитанной крахмалом
Рис.1 Рис.2
Рис.3
Приложение 16
Тестирование ткани пропитанной воском и оливковым маслом
Рис.1 Рис.2
Рис.3
Приложение 17
Тестирование ткани пропитанной мылом и алюминиевыми квасцами
Рис.1 Рис.2
Приложение 18
Изготовление водоотталкивающего чехла на портфель
Рис.1 Рис.2
Рис.3 Рис.4