Глава 1. Теоретическая часть

1.1. Что называется «эффектом лотоса» и как оно связано с нанотехнологиями?

Многие современные технологии основаны на результатах наблюдения за живой природой и заимствования у нее уникальных механизмов и принципов. Одним из примеров такого «сотрудничества» человека с природой является так называемый «эффект лотоса» (Lotus-effect). Под этим эффектом понимают явление самоочистки листьев и цветов некоторых растений, которое основано на особом наноструктурированном строении их поверхности. Данный феномен был запатентован учеными, открывшими его в семидесятых годах ХХ века – Вильгельмом Бартхлоттом и Кристофом Найнуйсом.

Вода, попадающая на их поверхность, сворачивается в капли. При стекании с листа вода заодно захватывает с собой частицы пыли, тем самым очищая растения.

Рис. 1. Лист, цветы лотоса и капля воды на поверхности листа

Эффект обусловлен особенностями строения поверхности и её высокой гидрофобностью. Лепестки лотоса покрыты микроскопическими выступами. Кроме того, лист защищен восковым слоем, который вырабатывается в железах

Рис. 2. Структура поверхности лотоса

Цветение лотоса вообще уникально само по себе. Он вырастает из илистой грязи, но при этом остается абсолютно сухим и чистым, свежим и красивым.

  Как же работает этот механизм? Благодаря точным микроскопам удалось раскрыть его природу. Оказалось, все дело в кутине – воскообразном веществе, состоящем из высших жирных кислот и эфиров. Это вещество располагается на поверхности листьев и цветков в виде своеобразных «шипов», которые и являют собой специфическую наноструктуру. Таким образом, с помощью "лотос-эффекта" растения защищают себя от размножения и паразитирования спор, загрязнения любыми веществами. Поверхности таких особых растений способны проявлять уникальные гидрофобные возможности, благодаря которым любая жидкость не задерживается, а стекает с них, увлекая за собой и загрязнения. Частицы грязи при этом распределяются по внешней стороне капли воды, не проникая внутрь нее.

Нанотехнология считается ключевой технологией 21 века. “Нано” произошло от греч. “nãnos”, что означает “карлик”. Нанотехнология – это общее обозначение для обработки материалов размеры, которых составляет от одного до сотни нанометров (один нанометр-это одна миллионная часть миллиметра).

Широкое распространение стало возможным благодаря ученым, которые научились подражать природе. Объекты размером с волос — это то, что мы видим невооруженным глазом. Через микроскоп можно увидеть значительно более мелкие объекты. Однако где-то на уровне одной десятой микрона возможности заканчиваются. И именно там начинается наномир. 

Изучив условия, в которых проявляется «эффект лотоса», ученые смогли объяснить, как он реализуется на наноуровне. Сделать это можно с помощью простого примера: представим себе поверхность, покрытую зубцами наподобие расчески. Если положить на зубцы кусочек бумаги, то площадь его соприкосновения с поверхностью будет минимальной – только в местах контакта с зубцами. Если тот же клочок бумаги положить на гладкую поверхность, площадь соприкосновения значительно увеличится.

Таким же образом работает и поверхность листьев, покрытая восковыми ворсинками: грязь соприкасается только с ними, и капли воды тоже. Вода не может растечься и остается в виде шарика, а частицы загрязнения, слабо сцепленные с «остриями» ворсинок, соединяются с гладкой поверхностью капли. Капля же, стекая с листа, уносит с собой и загрязнения.

Рис.3. Капля воды на гладкой (слева) и шероховатой (справа) поверхностях

Рис. 4. Эффект самоочищения

1.2. Как работает поверхностное натяжение?

Вода обладает очень высоким поверхностным натяжением. Что же это такое? Каков механизм поверхностного натяжения?

Причина поверхностного натяжения в том, что молекулы жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Взаимодействие быстро убывает при увеличении расстояния. На каждую молекулу, находящуюся в поверхностном слое, будет действовать сила, направленная внутрь жидкости.

Рис. 5. Поверхностное натяжение.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Проводим исследование «Изучение взаимодействия воды и листьев различных растений в сравнении с листьями лотоса»

Цель исследования: обнаружить комнатные растения, обладающие "эффектом лотоса".

Задачи исследования:

Изучить поведение капли воды на поверхности листьев комнатных растений.

Выяснить есть ли зависимость между формой капли на поверхности листа и типом поверхности.

Параметры оценки листьев и капель воды (не менее двух):

Прим.: перечень параметров может быть уточнен в ходе проведения исследования

- внешний вид поверхности листа

- форма капли воды на листе

- поведение(движение) капли воды при наклоне листа

- внешний вид листа после внесения в жидкую гетерогенную смесь

Результаты исследования заносим в таблицу.

Таблица 1. Поведение капель воды на примере комнатных растений

Промежуточные выводы по результатам проведенного исследования:

Капля воды на поверхности листа Молочая и Кислицы имеют шарообразную форму, а на всех остальных поверхностях - форму полусферы.

При небольшом наклоне листа капли не удерживаются на поверхности Молочая и Кислицы, стремительно слетают. Это объясняется тем, что притяжение между поверхностью листа и каплей воды очень слабое, а между молекулами воды - сильное. Чуть медленнее капли движутся по поверхности листа Фикуса.

На поверхности цикламена и фиалки остается влажный след, это говорит о том, что притяжение между поверхностью листа и каплей воды более сильное, чем между молекулами воды.

Итоговые выводы по результатам проведенного исследования:

Выяснили, что среди комнатных растений есть такие, у которых можно наблюдать "эффект лотоса". Это Молочай беложилковый и Кислица. Поверхность листа Молочая нежно-бархатистая, а поверхность Кислицы гладкая, но как будто посыпана мелкими песчинками.

Фикус Бенджамина покрыт налетом, но капли теряют форму, а лист при опускании в воду становится слегка влажным. Аналогичными свойствами обладает и лист Цикламена.

У ворсистой Фиалки "эффект лотоса " не наблюдается, капли имеют нечеткие очертания и легко скатываются с поверхности.

Итак,листья комнатных растений, обладающих "эффектом лотоса", имеют особенную поверхность: покрыты налетом и мелко-бархатисты. Фотографии исследования в Приложении №1.

Есть комнатные растения, у листьев которых можно наблюдать "эффект лотоса". Поверхность листа определяет форму и поведение капли воды.

2.2.Исследование «Изучение взаимодействия воды и различных

поверхностей в сравнении с листьями лотоса»

Исследовательский вопрос: существуют ли поверхности вокруг нас с эффектами смачивания и несмачивания?

Цель исследования: исследование поверхностей различных материалов на эффект смачивания и несмачивания.

Задачи исследования:

Исследовать различные поверхности и сравнить их взаимодействие с водой с листом лотоса.

Найти материалы, обладающие гидрофобными и гидрофильными свойствами.

Параметры оценки:

- тип поверхности

- угол наклона, при котором наблюдается движение капли, размером 1 см в диаметре.

Перечень материалов и оборудования: наждачная бумага, металлическая пластинка, дерево, пенопласт, мел, пластилин, ластик, вода, фотоаппарат.

Результаты исследования заносим в таблицу. Фотографии проведенного исследования в таблицу 2

И наблюдаем угол наклона поверхности, при котором наблюдается движение капли диаметром около 1 см.

Таблица 2. Поведение капель воды на различных поверхностях

Выводы по результатам проведенного исследования:

Из исследованных материалов соответствуют свойствам листа лотоса пластилин и наждачная бумага.

Возможно, листья лотоса имеют шероховатую поверхность и восковой налет.

Мел и дерево являются гидрофильными поверхностями. Капля воды быстро растекается по поверхности мела.

Исследование «Изучение свойств воды «сворачиваться» в капли

или растекаться по поверхности»

Опыт 1. Налить в тарелку воду и аккуратно при помощи пинцета положить на поверхность воды металлическую скрепку, провести наблюдение.

Опыт1. Поведение скрепки на поверхности воды

Вывод по результату опыта 1: скрепка плавает на поверхности воды за счет сил поверхностного натяжения, которые в поверхностном слое воды образуют нечто вроде пленки, которая и выдерживает вес скрепки.

Опыт 2. В полностью заполненный водой стакан аккуратно опустить монеты, провести наблюдение.

Опыт 2. Поведение воды в стакане при опускании монет

Вывод по результату опыта 1: вода из полного стакана не выливается при аккуратном опускании монет из-за сил поверхностного натяжения, которые достаточно велики, и образуют "купол" над стаканом.

Фотографии по проведенным опытам 1 и 2 в Приложении 3.

Опыт 3. Взять два стекла, смочить поверхности водой, совместить две поверхности, затем разъединить поверхности стекол.

Опыт 4. Взять два стекла, смочить поверхности ацетоном, совместить две поверхности, затем разъединить поверхности стекол.

Выводы по результатам опытов 3 и 4: стёкла, смоченные водой труднее разделить, чем стекла, смоченные ацетоном. Это говорит о том, что притяжение между молекулами воды сильнее, чем между молекулами ацетона.

Выводы по результатам проведенного исследования: можем сделатьпредположения о связи наблюдаемых явлений и «поведения» воды на листьях лотоса. Под действием сил поверхностного натяжения жидкость принимает формукапли и силы взаимодействия молекул воды между собой в капле намного больше сил взаимодействия между водой и поверхностью, поэтому жидкость на листе лотоса сохраняет форму капли и не смачивает поверхность листа.

Глава 3. «Эффект лотоса» вокруг нас

Есть ли в природе растения, листья которых ведут себя также?

Многие растения наделены природой свойством защиты от различных загрязнений, в большей степени неорганического (пыль, сажа), а также биологического происхождения (споры грибков, микробов, водоросли и т.д.). Проявление «эффекта лотоса» наблюдается на листьях многих растений, тростник обыкновенный, папоротник, эвкалипт.

Рис.6. Папоротник

Рис.7. Эвкалипт

«Эффект лотоса» встречается и на многих других известных нам растениях, таких как капуста, камыш, кактус, монстера, молочай, кислица.

Рис.8.Лист монстеры Рис. 9. Лист капусты

Известные многим своими возможностями легкого перемещения (скольжения) по поверхности воды, водяные клопы-водомерки также используют это природное явление, так как их тело и кончики ног покрыты несмачиваемыми в воде волосками, обеспечивающими, на первый взгляд, их столь удивительные способности.

Рис.8. Водомерка на поверхности воды

Так как большую опасность для растений представляют органические формы в виде бактерий, спор грибов или водорослей, то «лотос-эффект» предотвращает их появление на таких поверхностях. Подобное действует и для насекомых. Со своими ногами они не могут достать и чистить все районы своего тела. Тем лучше для них, когда влажность и пыль самостоятельно стекают. Похожим образом устроены крылья бабочек и многих других насекомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они потеряли бы способность летать.

Рис.9. Крылья бабочек обладают «эффектом лотоса»

Бабочкам опасно загрязняться, поэтому природа придумала для них систему самоочищения. Если по обычной поверхности капля скатывается, смачивая её, то по крылу бабочки она скатывается, не смачивает его, и увлекает за собой загрязнение.

Как используют «Эффект лотоса», в покраске фасада зданий?

Нанотехнологии с «эффектом лотоса» применяются в строительной индустрии. В 1999 году краску с эффектом лотоса – Lotusan – выпустила немецкая фирма Sto. Обычно вода стекает с поверхности, оставляя грязные разводы. Краска с эффектом лотоса содержит в себе микрокристаллы стеклянных частиц, которые создают бугорки, как у листа лотоса, и не позволяют каплям воды задерживаться и растекаться по поверхности, – они просто скатываются, забирая с собой частицы грязи. Фасады, они остаются чистыми и сухими, отсутствует природная среда для размножения микроорганизмов и грибков.

Рис. 10. Процесс лотос-эффекта: 1 – нанопокрытие; 2 – капля жидкости (воды); 3 – загрязнение; 4 – поверхность (стекло, краска, керамика и т.д.)

Рис.11.Дом частично (слева) покрыт краской LOTUSAN

Как применяется «Эффект лотоса» в стекольных поверхностях зданий?

Редкая высотка в наше время обходится без стекольной поверхности. Что уж и говорить о небоскребах в Нью-Йорке, Шанхае и Дубае и о том, сколько средств на их очистке будет сэкономлено при применении стекол, поверхность которых отталкивает воду и грязь, а также кафеля, обработанным нанопокрытием. Особый рывок в данном направлении сделал Китай. Где в последнее время не только ведутся постоянные исследования в области нанотехнологий, но и идет активное внедрение их в жизнь. Так, китайские ученые сымитировали эффект лотоса при возведении здания Большого национального театра в Пекине.

Рис. 12. Большой национальный театр в Пекине

Прозрачная поверхность здания, выполненная в форме сферы, сделана с использованием последних новинок в области нанотехнологий. Огромный яйцеобразный купол из стекла и титана благодаря этому покрытию не смачивается осадками и не подвержен загрязнению.

Какие существуют нанотехнологии с «эффектом лотоса» в автомобильной промышленности?

Одним из примеров применения «эффекта лотоса» стал продукт компании «Дуалес Систем Дойчланд АГ», который она продемонстрировала еще в 2000 году на всемирной выставке в Ганновере. Это была автомобильная краска, способная к самоочищению под воздействием обычной воды, причем отличный результат достигается даже при сильном загрязнении. Развитие нанотехнологий позволило усовершенствовать способы очистки поверхности авто: сейчас уже существуют особые составы, которые распыляются на поверхность и растираются тканью. Они не только удаляют грязь, но и покрывают поверхность слоем самоочищающегося вещества, которое действует в течение многих месяцев.

Обработка дисков по нанотехнологии обеспечивает следующее: существенно уменьшает налипание дорожной грязи и пыли ,облегчает удаление загрязнений (эффект быстрой чистки), защищает от солей и агрессивного воздействия окружающей среды и реагентов.

Какие существуют нанотехнологии с «эффектом лотоса» в текстильной промышленности?

В 1998 году американским инженером-химиком Дэвидом Слоаном была изобретена ткань Nano Care, ее производством занимается гигант мировой текстильной индустрии корпорация Burlington Industries. Nano Care является одним из крупнейших открытий текстильной индустрии, сделанных в последние несколько лет. Используя достижения нанотехнологии, создатели этой ткани наделили ее удивительной стойкостью к грязи и появлению пятен от пролитой жидкости, брызг. Любая жидкость или грязь, попавшая на поверхность Nano Care, просто собирается в виде капли и скатывается с нее. Разлитую жидкость можно вытереть чистой тканью, а сухую грязь легко удалить щеткой.

Следует отметить, что в настоящее время на основе «эффекта лотоса» разработан малозагрязняющийся бактерицидный текстиль, непромокающие дождевые плащи и зонтики, водоотталкивающие спортивные купальные костюмы и другое.

Рис. 13.Ткань с «эффектом лотоса»

Сковорода с «Эффектом лотоса», как это работает?

Новейшее антипригарное покрытие «эффект лотоса» – удачная копия гениального природного механизма. Сковорода с эффектом лотоса давно побила все рекорды продаж – так она практична. Грязь с поверхностей стекает под воздействием обычной воды, без химикатов. Причем даже если загрязнение очень сильное, поверхность очищается полностью, до первоначального идеального состояния.

Рис.14. Сковорода с эффектом лотоса

Заключение

«Эффект лотоса» – уникальное природное свойство цветка. Любая влага, попадающая на лепестки лотоса, сразу собирается в капли, которые никаким способом не могут удержаться на поверхности и неминуемо скатываются вниз, прихватывая с собой частички ила, оказавшиеся на их пути.

В ходе исследования и проведенных опытов решили следующие задачи:

- изучили материалы по теме исследования, используя поиск, сбор и обработку информации;

- выявили, что свойством «эффекта лотоса» обладают также некоторые комнатные растения;

- продемонстрировали проявление «эффекта лотоса» на искусственных поверхностях;

- узнали много новых и интересных фактов о природных объектах, обладающих «эффектом лотоса» в растительном (листья, цветы растений и др.) и животном мире (крылья насекомых);

- выявили наиболее актуальные направления применения данного явления в разработках нанотехнологий, это- использовано и в быту, и в промышленности;

- при помощи нанопродуктов, сделанных на основе этого феномена, мы можем оценить практическое значение «эффекта лотоса».

Преимущества поверхностей с «эффектом-лотоса»:

проверенная, долгосрочная и высокоэффективная защита (защитная нанопленка, нанесенная с целью консервирования поверхности, защищает от агрессивных воздействий окружающей среды, погодных условий и даже царапин);

не требующие особого ухода поверхности и ткани всех видов, долгосрочная видимая и гигиеническая чистота, антибактериальные свойства обработанных поверхностей, легкая очистка, полная нейтральность к коже, безопасность даже для аллергиков;

если водоотталкивающий эффект ослабел, то в этом случае поверхность или ткань нужно почистить и промыть, после этой простой процедуры водоотталкивающий эффект опять будет восстановлен.