「蓮葉效應」的應用。

Report
竹北國中 一年七班 許明騰
一、研究動機:
 在清理家裡的水生植物池時,發現蓮
花的葉子上有許多滾來滾去的水珠,
爸爸說這是蓮葉效應,我覺得很有
趣,所以針對蓮葉效應做了一點觀察
和紀錄。
二、研究目的:
1.認識蓮花與睡蓮。
2.了解何謂「蓮葉效應」。
3.了解「蓮葉效應」的成因。
4.了解「蓮葉效應」對蓮花的意義。
5.自然界中「蓮葉效應」的應用。
6.工業界對蓮葉效應的運用。
三、研究方法:
1.利用各種管道查出相關資料。
2.利用蓮花葉片試驗蓮葉效應並探討其
意義,拍照或錄影紀錄。
3.試驗不同植物的葉片,以了解是否具
有蓮葉效應,並拍照紀錄。
四、結果與綜合討論:
1、認識蓮花與睡蓮
蓮花屬於浮
水、挺水性兼
具的植物,葉
子會明顯的挺
出水面。
睡蓮是屬於浮葉
性的植物,葉子
大多浮在水面
上。
2、何謂「蓮葉效應」
 宋朝大儒周敦頤已經注意到蓮花的葉子不易髒,
雖然從污水中長出來,也不會沾留髒東西。 (見
愛蓮說)
 1997年,德國波昂大學的植物學家Wilhelm
Barthlott針對蓮葉表面進行了一系列的實驗,發
現蓮葉表面的超疏水性特性與其自潔效應的關
係,並創造了「蓮葉效應」(Lotus effect)一
詞。
愛蓮說
周敦頤
 水陸草木之花,可愛者甚蕃。 晉陶淵明獨
愛菊﹔自李唐來,世人盛愛牡丹﹔予獨愛蓮
之出淤泥而不染,濯清漣而不妖,中通外
直,不蔓不枝,香遠益清,亭亭靜植,可遠
觀而不可褻玩焉。
 予謂菊,花之隱逸者也﹔牡丹,花之富貴者
也﹔蓮,花之君子者也。
 噫!菊之愛,陶后鮮有聞﹔蓮之愛,同予者
何人﹔牡丹之愛,宜乎眾矣。
蓮花的環境適應
 蓮花一般都生長在淤泥較厚、水較不流動的
缺氧環境中,為了適應這樣惡劣的環境,蓮
花也有許多的適應策略。
 如圖a所示,蓮花可利用肥厚、分支發達的
地下莖(即俗稱的蓮藕)來儲存養分、擴充
地盤、並增加植物體的穩定性;
a.利用肥厚、分支發達的地下莖
(蓮藕)來儲存養分、擴充地盤
並增加植物體的穩定性。
蓮花的環境適應
 蓮花一般都生長在淤泥較厚、水較不流動的
缺氧環境中,為了適應這樣惡劣的環境,蓮
花也有許多的適應策略。
 如圖a所示,蓮花可利用肥厚、分支發達的
地下莖(即俗稱的蓮藕)來儲存養分、擴充
地盤、並增加植物體的穩定性;
 圖b顯示蓮花葉柄和莖都具有許多疏鬆、多
孔隙的結構,可以增加氧的儲存量;
a.利用肥厚、分支發達的地下莖
來儲存養分、擴充地盤並增加
植物體的穩定性。
b.蓮藕具有疏鬆、多孔隙的結
構以增加空氣的儲存量。
蓮花的環境適應
 蓮花一般都生長在淤泥較厚、水較不流動的
缺氧環境中,為了適應這樣惡劣的環境,蓮
花也有許多的適應策略。
 如圖a所示,蓮花可利用肥厚、分支發達的
地下莖(即俗稱的蓮藕)來儲存養分、擴充
地盤、並增加植物體的穩定性;
 圖b顯示蓮花葉柄和莖都具有許多疏鬆、多
孔隙的結構,可以增加氧的儲存量;
 圖c顯示蓮花植物體內具有黏稠的汁液,這
些汁液可以增加葉柄的韌性,使葉子在受到
強風吹拂時不易折斷;
a.利用肥厚、分支發達的地下莖
來儲存養分、擴充地盤並增加
植物體的穩定性。
c.葉柄具黏稠的汁液以增加韌性。
b.蓮藕具有疏鬆、多孔隙的結
構以增加空氣的儲存量。
蓮花的環境適應
 如圖a所示,蓮花可利用肥厚、分支發達的
地下莖(即俗稱的蓮藕)來儲存養分、擴充
地盤、並增加植物體的穩定性;
 圖b顯示蓮花葉柄和莖都具有許多疏鬆、多
孔隙的結構,可以增加氧的儲存量;
 圖c顯示蓮花植物體內具有黏稠的汁液,這
些汁液可以增加葉柄的韌性,使葉子在受到
強風吹拂時不易折斷;
 圖d可看出蓮花葉柄的外表許多堅硬、尖銳
的皮刺,除可用來增加葉柄的強度外,更具
有保護自己的功能。
a.利用肥厚、分支發達的地下莖
來儲存養分、擴充地盤並增加
植物體的穩定性。
c.葉柄具黏稠的汁液以增加韌性。
b.蓮藕具有疏鬆、多孔隙的結
構以增加空氣的儲存量。
d.葉柄外更有尖銳的皮刺,
可增加葉柄的支持強度。
蓮葉的自潔效應
 蓮花葉面具有許多臘質的表皮,這些表皮上有著許多
的突起,這些突起的表面上還佈滿了許多奈米等級的
空心管狀結構。透過這些微細構造的功能,使蓮葉的
表面具有很高的疏水性質,除了可以產生很好的浮力
效應外,更能避免葉面遭受污染而有很好的自潔效
應,而這也正是周敦頤所讚嘆蓮花「出淤泥而不染」
的主要成因,現在則被稱之為「蓮葉效應」。
蓮葉利用滾動水珠達到自潔的功能
(水珠滾過的地方,砂粒就被帶走了哦!)
3、蓮葉效應的成因
(1)一般物質的親水或疏水性質與其本質有關,可以
接觸角的大小來表明其親、疏水的特性。如圖所
示,當液體滴在固體表面上時,固體表面和液滴
切線的夾角,就是所謂的接觸角(Contact angle)
α。
(2)一般說來若接觸角小於90度,稱為具有親水特性,
如水在玻璃上的接觸角為0~5 度。若大於90度則稱
為具有疏水特性,如水在石蠟上的接觸角為108度。
接觸角若小於5度稱為具有超親水性,而接觸角若
大於150度,則稱為具有超疏水性。
液體
接觸角α
液體與固體界面
固體
接觸角示意圖
液體與氣體界面
蓮葉的超疏水結構
 親、疏水特性除了受到物質的本質影響外,也和
物質的表面結構特性有關,物體表面的粗糙度會
影響到固-液間的接觸面積,而固-液間的接觸面
積比例又會會影響到附著力的大小,所以物體粗
糙程度的改變也可能改變彼此間親、疏水的程
度,固-液接觸面積比例愈小則表面的疏水特性就
愈強。
葉表面有角
質,使接觸
角約呈90°
按我
葉表面有微米結
構,使接觸角大
於110°→疏水性
蓮葉表面具有許多5-10
μm的突起構造(微米結
構)
葉表面有角
質,使接觸
角約呈90°
按我
葉表面有奈米結
構,使接觸角高達
160°
→超疏水性
按我
葉表面有微米結
構,使接觸角大
於110°→疏水性
蓮葉表面具有許多5-10
μm的突起構造(微米結構)
蓮葉表面突起構
造上還佈滿了直
徑約100 nm的蠟
質結構(奈米突
起)
4、「蓮葉效應」對蓮花的意義
「蓮葉效應」對
於蓮葉有很好的
保護作用,蓮葉
表面的微細構造
一旦破壞,葉面
就會喪失超疏水
特性而很快腐
壞。
5、自然界中對蓮葉效應的應用
※ 在自然界中,利用類似蓮葉效應的構造與特性
以適應各種環境的例子很多。
(1)如「田字草」,可利用葉面上的蠟質微米級突
起來增加疏水特性,當葉面沉入水中時,其葉
面外圍的空氣膜能使葉面順利的漂浮於水面上
。而芋頭、槐葉萍等水生植物也可利用類似的
構造達到適應水中生活的目的。
5、自然界中對蓮葉效應的應用
南國田字草(Marsilea
crenate Presl.)可利用
葉上的蠟質微米結構來增
加浮力。
5、自然界中對蓮葉效應的應用
(2)濱刺麥是海濱常見的定沙植物,葉子和莖的表
面具有許多的蠟質突起,此構造不僅可用於防
水,更可抵擋風沙的傷害,所以使濱刺麥成了
海濱沙地的優勢物種。
5、自然界中對蓮葉效應的應用
濱刺麥(Spinifex littoreus
(Burm. f.) Merr.)是海濱常
見的定沙植物,可利用葉面微
細的蠟質結構來抵抗風沙。
5、自然界中對蓮葉效應的應用
(3)金背鳩可利用羽毛上羽軸邊的突起構造,配合
適量的油脂塗抹,來達到類似蓮葉效應的防水
效果。所以許多鳥類都會利用肛門腺所分泌的
油脂做好羽毛的保養與護理,這種行為在水鳥
身上更是頻繁。
金背鳩(Streptopelia
orientalis)可利用羽軸上的
微細羽支,配合油脂的塗抹而
達到防水的效果。
5、自然界中對蓮葉效應的應用
(4)擬環紋豹蜘可利用腳上的微細結構,利
用表面張力而在水面上自由活動,甚至利用水
面的表面張力來捕食其他動物,而這樣的生存
模式也可在水黽身上發現。
擬環紋豹蜘(Pardosa
pseudoannulata)可利
用腳末端微細的長毛來
提升表面張力,而能在
水面上活動
6、工業界對蓮葉效應的運用
 由於超疏水結構具有諸多的功能,因而許多科學
家也想模仿蓮葉的特性,來製作具有超疏水特性
的產品。一般的做法是由多種化學成份摻雜,經
複雜之反應過程產生具有微結構表面的不規則碎
片形表面,並利用這樣的超斥水性表面運用於成
品上。
6、工業界對蓮葉效應的運用
 如圖所示,利用將奈米疏水微粒添加入紡織品的
做法,可以製作具有超疏水性質的防污布料,這
些布料可用來製作生活所需的用品,這些產品不
沾水、不沾油污,可使表面常保乾燥、無污之特
性,是非常具有潛力的商品。
利用微結構所造成
的超疏水性質,可
製作出不沾水的自
潔布料。
6、工業界對蓮葉效應的運用
 如圖所示,也可利用奈米材料製造出不易附著汙垢,且具
有自清潔效果的建材。有關蓮葉效應的相關產品很多,目
前市面上較常見的產品與類型有BASF公司生產,由奈米微
粒及疏水性聚合物混合組成的鍍膜噴劑,稱為蓮花噴霧劑,
可利用噴劑型成疏水性的表面。
在磁磚表面加附
奈米微粒,可提
高磁磚的防汙效
果
6、工業界對蓮葉效應的運用
 如圖所示,也可利用奈米材料製造出不易附著汙垢,且具




有自清潔效果的建材。有關蓮葉效應的相關產品很多,目
前市面上較常見的產品與類型有BASF公司生產,由奈米微
粒及疏水性聚合物混合組成的鍍膜噴劑,稱為蓮花噴霧
劑,可利用噴劑型成疏水性的表面。
STO 公司生產,可使建築物具有容易清潔、易維護、不易
沾污、不易毀損等好處的Lotusan塗料。
iTV 公司開發,仿蓮葉自清潔效果,的紡織材料。
光陽公司生產,具有耐侵蝕、不易褪色、不易沾染污垢、
硬度較一般塗料高,不易產生刮痕、表面光澤及觸感較一
般塗料光滑細緻的奈米彩晶塗裝。
和成公司開發,將奈米釉覆蓋在陶瓷表面、添加銀離子形
成高溫抗菌劑、使衛浴設備不易附著污垢亦不易產生臭味
的和成ADB (Anti-Dirt-Bacteria) 奈米馬桶。
五、延伸活動:
步驟:
1、以校園裡的常見植物為材料(例如:
黃金葛、蓮花、大萍…等),透過自
己的觀察、歸納與實驗探討各種葉
片的親水性或疏水性。
(1)
把水滴在蓮葉、黃金葛及大萍…葉上,
觀察是否具有蓮葉效應。
③大萍—
具有蓮葉效應
圓葉金午時花
④圓葉金午時花
具有蓮葉效應
馬鞍藤
⑤馬鞍藤
不具有蓮葉效應
⑥黃槿
托葉--有蓮
葉效應
葉面--不具
有蓮葉效應
葉背--具有
蓮葉效應
(2)
把葉片直接置入水中,觀察是否具有
蓮葉效應
①大萍—
具有蓮葉效應
②蘋果蓮—
不具有蓮葉效應
③構樹
③構樹—
不具有蓮葉效應
④醴腸
④醴腸-不具有蓮葉效應
五、延伸活動:
步驟:
2、葉面結構與自潔功能的探討
(1)在葉面上灑上一些砂子,輕加抖落
和以清水加以沖洗後,觀察葉面砂
粒的殘存量。
將砂子灑在蓮葉上
抖動葉片,發現
砂粒抖落不殘留
再放大看→超疏水性的
蓮葉具有很好的自潔功
能
將砂子灑在南美櫻桃葉上
南美櫻桃
抖動葉片,發現葉面上
仍殘留大量砂粒
∴沒
有蓮葉效應的葉片不具
有自潔效果
將砂子灑在蓮葉上
將水滴在蓮葉上,發
現水滴會將砂粒帶走
最後水滴將經過蓮葉上的
地方之砂粒全部帶走
∴具超疏水的蓮葉葉面具
有很好的自潔功能
將砂子灑在南美櫻桃葉上
潮濕的葉面上仍然殘
留大量砂粒 ∴沒有
蓮葉效應的葉片不具
有自潔效果
將水滴在葉上,
發現水滴及砂粒
都殘留在葉面上
五、延伸活動:
步驟:
2、葉面結構與自潔功能的探討
(2)以污泥水滴灑在葉面上,並觀察葉
面污物的殘留狀況)。
蓮葉
將污泥水滴在蓮
葉上,發現污泥
水聚集成水珠狀
污泥水不會黏附在蓮
葉葉面上 ∴具有超
疏水的蓮葉葉面具有
很好的自潔效應
將污泥水滴在南美櫻
桃葉上,發現污泥水
直接攤在葉面上,葉
面上沾滿污泥
∴不具有蓮葉效應
的葉面對污泥而言
不具有自潔效應
六、參考資料
1、徐世昌,2002年6月,蓮花的自潔功能與奈米科技的應
用,
《科學發展月刊》354期,60~63頁。
2、柯賢文,2007年3月,表面張力的應用,《科學發展月
刊》
411期,48 ~ 51頁。
3、蘇俊鐘,2003年,蓮花效應,NCHC奈米科學研究小組。
4、維基百科:表面張力、接觸角、自潔作用
5、林偉隆、張易揚、李頂立、羅佩寧,
奈ㄟ安呢...蓮葉上的奈米科技,中華民國第45屆中小學
科學展覽國中組作品。
6、葉哲良、黃菁儀,93年,樹葉之美-與水珠共舞

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