高解析度的電子顯微鏡利用高能的電子,使科學家能清楚觀察微小的結構。在電子顯微鏡下,發現蓮葉表面佈滿約 5-10 μm 高,相距約 10-15 μm 的微小凸塊 (圖 3)。這凹凸不平的表面本身又佈滿直徑約為 1nm 的蠟質結晶。這兩個主要的特點—蠟質物料和微小而凹凸不平的表面,對於蓮花效應非常重要。

蓮葉上的蠟質物料是疏水性的。疏水性的意思是不「喜歡」水,或者從另一觀點看,水不「喜歡」它。因為這個特性,在疏水性的表面上,水分子傾向於聚在一起形成小水珠,這樣水分子才能遠離疏水性表面而靠近其他水分子。在蓮葉面上的蠟質物料具疏水性,導致水珠的形成。這種不喜歡水的作用可以視為一種化學效應。

當水珠與一個表面接觸,水珠的形狀會因著表面的特性而改變。水可能會在表面上散開,把表面弄濕。這時表面與水面所成的角度較小,一般小於 80o (圖 4a)。這樣的表面稱為親水性,意即「喜歡水」。表面與水面所成的角度稱為「接觸角」。接觸角較小,代表水傾向於在表面上散開。另一種情況是水聚在一起形,沒有在表面上散開,因此表面保持乾爽。這時表面的接觸角大於 80o (圖 4b)。如上所述,這樣的表面稱為疏水性,意即「不喜歡水」。

 

表面親水或疏水的成因頗為複雜。對此有興趣的學生,應注意到不同材料的交會處形成一個界面。我們這裡有三種材料:水、空氣和表面。因此在 (i) 空氣和水之間,(ii) 空氣和表面之間,和 (iii) 水和表面之間有三個界面。一個表面是親水或疏水取決於在這三個界面之中表面張力的大小比例。

 

在平的疏水表面上加上凸塊,便可把它變成超級疏水表面。超級疏水表面的接觸角很大 (圖 4b)。這是一個物理作用。隨著表面變得凹凸不平,水和表面的接觸面積減少,水珠變得越來越像球體,更加容易從表面上滾下。所以,疏水性的程度可以透過修改表面的粗糙程度而控制。圖 5 總結四個不同的可能性。

有了疏水性與親水性的概念,讓我們回到蓮花效應的問題上。蓮葉表面是超級疏水性的,即接觸角非常大,這是因為表面凹凸不平和佈滿蠟質物料。這樣,水幾乎不可能在葉子上散開,弄濕葉子,而在葉子上形成球狀小水珠。水珠輕輕的附在葉面上,即使葉子有輕微振動,小水珠也會從葉面滾下來。亦由於葉面凹凸不平的結構,污垢物的粒子一般也是輕輕附在葉面上的。隨著水珠在葉面上滾動,污垢的粒子也會被帶走 (圖 6),達到自動清洗的作用 (圖 7)。

動畫:自動清洗的作用


 
 
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