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【摘要】：本文介绍了荷叶自清洁效应的原理，即荷叶表面的蜡质是产生表面疏水性的根本原因，其超微纳米结构放大了其疏水性。结合此疏水原理，阐述了荷叶效应在日常生活及工业生产中的应用，并适当地提出了展望。
【关键词】：纳米结构；自清洁；应用
一、引言
众所周知，荷叶素来纤尘不染，水珠根本无法浸湿其表面，人们将这种现象称为自清洁效应。研究表明，荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的-OH、-NH等极性基团，在自然环境中应极易吸附水分或污渍。从机械学的光洁度（粗糙度）角度考虑，它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的光洁度要求。究竟是什么原因使得荷叶具有自洁功能呢？
二、荷叶效应机理
德国玻恩大学植物学教授W.Bartblott经过长期观察研究，在上世纪九十年代初终于揭开了荷叶叶面神奇的面纱。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到，荷叶表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。此时的荷叶叶面上就像布满了一个个紧挨着的“小山包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄且只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的雨水等落在叶面上后，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触，可想而知，接触角的减少使得水珠在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘并最终将其带离叶面。总而言之，荷叶表面同时拥有这种纳米尺寸的物理结构与疏水性的化学组成就是“莲花效应”能自洁叶面的奥妙所在。
研究表明，这种具有自洁效应的表面超微纳米结构形貌，不仅存在于荷叶中，也普遍存在于其它动植物中，如甘蓝、芋等。其实植物叶面的这种复杂的超微纳米结构，不仅有利于自洁，还有利于防止对大量漂浮在大气中的各种有害的细菌和真菌对植物的侵害。更重要的是，此种超微纳米结构可以提高叶面吸收阳光的效率，从而提高叶绿体的光合作用。
三、仿荷叶效应的运用
神奇的荷叶被揭开神奇的面纱之后，人们就探究各种方法将其运用到日常生活与生产工艺之中，并取得了不错的成绩，如：荷叶效应乳胶漆、防荷叶的疏水织物、防荷叶玻璃、拒水拒油纺织新产品等等。以下仅介绍两种机具代表性的应用实例。
1.超双疏界面材料
通过研究荷叶效应的拒水自洁原理可知，具有高度拒水自洁的材料必须具备以下两个条件：第一，纤维表面具有基本的拒水性能（即水在其表面的接触角大于90°）；第二，具有粗糙的表面，且粗糙要达到纳米级的水平。
浙江弘景材料科技股份有限公司在中科院、浙江省纳米材料应用工程技术中心、浙江大学等科研院校大力支持下在拒水织物的研究上已取得重要的突破。其利用纳米材料比表面积大、多孔结构、表面原子数所占比例大、表面原子的不饱性等理化性能，以及两个混合相之间产生很大的作用力这一原理，在体材料表面设计、构造荷叶效应，使织物表面张力降低，在织物表面形成纳米尺寸效应，即形成稳定的纳米级空气层，使界面形态呈凸凹丛针状纳米结构.犹如荷叶的疏水功能，从而织物具有防水、防油、防污功能，此时，水在仿荷叶状的界面上呈球状，稍有外力，即可快速滑动，而不在表面留下任何痕迹，呈现出超强的疏水、疏油功能，使常温中自然下落的水珠及动植物油不能渗入织物纤维内部。这种功能材料称为超双疏界面材料.若是将此自清洁材料市场化，我们的衣服可以大大减少洗涤次数，同时可以减少洗衣液、洗衣粉的使用，为节约资源、保护水环境贡献一份绵薄之力。另一方面，据专家介绍，对此制备工艺稍加调整，就可制备出兼有驱除蚊蝇、抗菌防霉、超强阻燃、抗静电及按需调配的多种功能型界面材料，为人们的生活带来极大的便利，因此应用前景十分廣阔。
2.纳米复合外墙涂料
建筑物的形象在一定程度上反映一个城市的文明，因此各地政府纷纷出台政策，规定商业建筑物、住宅小区以及景观道路两侧的建筑物的外立面须隔几年用建筑涂料进行粉饰，以维持其整洁并消除涂鸦与小广告。其中南京市政府为建筑物外立面专门制定了《南京市城市建筑物外立面保持整洁管理规定》，《规定》提出外立面整洁标准：无明显污迹，无残损、脱落，严重变色，无乱挂、乱贴、乱涂、乱刻；附属设施符合城市容貌标准。城市建筑物、构筑物外立面，应当按照下列规定定期清洗保洁，并明确清洁外立面的时间要求：玻璃幕墙，至少每半年清洗一次；装饰板幕墙，至少每年清洗一次；面砖幕墙，至少每年清洗一次；石料幕墙，至少每3年清洗一次；涂料幕墙，至少每 4年涂装出新一次。此举标志着建筑物外立面保洁工作有了第一部法规，这将对相关行业产生重要影响。但是化学清洗剂的会对建筑物有一定的腐蚀，且需配有相关的辅助设备，过程复杂、费用高，同时存在安全风险。因此建筑材料的自清洁引起了人们的思考与重视，近几年来人们致力于纳米符合外墙涂料的研究，以期Sto集团技术人员模仿荷叶的叶面结构，研制出了“荷花王”硅树脂外墙涂料，仿照荷叶表面具有的微米-纳米双重结构特点，把具有独特界面效应的纳米粒子经表面改性处理得到直径大约为1 nm的以峰和谷排列的蜡纳米结晶，并结合特殊分散手段的生产工艺，从而使漆膜表面具有超强疏水特性，这一点已由知名机构进行了检测和验证.在用“荷花王”（Lotusan）涂刷过的墙面上，表面的所有水成为水珠并滚落，在暴雨下表面仍保持干燥.水滴在滚动时将细小的灰尘颗粒收集，以达到与荷叶表面相似的自清洁.脏物随雨水像珍珠般滴落，外墙保持干燥和美观.该纳米复合外墙涂料抗污、耐水、耐酸雨、防霉等性能更优异，若替代瓷砖应用于潮湿最重、污垢较多的卫生间、厨房、医院等建筑的内墙之中，则可延长房屋修缮和维护的周期。总之，由于其优异的超疏水性能可使雨水、冰雪在其表面难以附着，在建筑玻璃、高压电线、挡风玻璃等方面具有广阔的应用前景。
四、展望
目前為止，人们已经掌握了荷叶效应的机理，并逐渐发明出多功能的新型仿荷叶物品。荷叶效应的研究成果的应用前景远远不止这些，若用于现代军事和战争的服装，除了遮风挡雨，可在恶劣的潮湿环境中，使战土们保持干爽舒服之外，还可以防止有毒液体的侵入；若应用于医疗领域，可用作保护医务人员不受血载病菌侵害的医用屏障织物，阻止某些通过血液、唾液传播的疾病在世界范围内的肆虐横行；若应用于建筑材料领域，可使建筑外围履行主动、自我调控、自我更新、自我完善的职能，使其由单一功能型、视角效果型向复合型转变，从而达到缩减城市环卫清洁成本、保持城市美观的目的等等。总而言之，荷叶效应的应用为我们带来极大的便利，我坚信随着科技的发展，会有越来越多的仿荷叶产品涌现，从而更好地改善人们的生活。
【关键词】：纳米结构；自清洁；应用
一、引言
众所周知，荷叶素来纤尘不染，水珠根本无法浸湿其表面，人们将这种现象称为自清洁效应。研究表明，荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的-OH、-NH等极性基团，在自然环境中应极易吸附水分或污渍。从机械学的光洁度（粗糙度）角度考虑，它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的光洁度要求。究竟是什么原因使得荷叶具有自洁功能呢？
二、荷叶效应机理
德国玻恩大学植物学教授W.Bartblott经过长期观察研究，在上世纪九十年代初终于揭开了荷叶叶面神奇的面纱。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到，荷叶表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。此时的荷叶叶面上就像布满了一个个紧挨着的“小山包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄且只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的雨水等落在叶面上后，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触，可想而知，接触角的减少使得水珠在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘并最终将其带离叶面。总而言之，荷叶表面同时拥有这种纳米尺寸的物理结构与疏水性的化学组成就是“莲花效应”能自洁叶面的奥妙所在。
研究表明，这种具有自洁效应的表面超微纳米结构形貌，不仅存在于荷叶中，也普遍存在于其它动植物中，如甘蓝、芋等。其实植物叶面的这种复杂的超微纳米结构，不仅有利于自洁，还有利于防止对大量漂浮在大气中的各种有害的细菌和真菌对植物的侵害。更重要的是，此种超微纳米结构可以提高叶面吸收阳光的效率，从而提高叶绿体的光合作用。
三、仿荷叶效应的运用
神奇的荷叶被揭开神奇的面纱之后，人们就探究各种方法将其运用到日常生活与生产工艺之中，并取得了不错的成绩，如：荷叶效应乳胶漆、防荷叶的疏水织物、防荷叶玻璃、拒水拒油纺织新产品等等。以下仅介绍两种机具代表性的应用实例。
1.超双疏界面材料
通过研究荷叶效应的拒水自洁原理可知，具有高度拒水自洁的材料必须具备以下两个条件：第一，纤维表面具有基本的拒水性能（即水在其表面的接触角大于90°）；第二，具有粗糙的表面，且粗糙要达到纳米级的水平。
浙江弘景材料科技股份有限公司在中科院、浙江省纳米材料应用工程技术中心、浙江大学等科研院校大力支持下在拒水织物的研究上已取得重要的突破。其利用纳米材料比表面积大、多孔结构、表面原子数所占比例大、表面原子的不饱性等理化性能，以及两个混合相之间产生很大的作用力这一原理，在体材料表面设计、构造荷叶效应，使织物表面张力降低，在织物表面形成纳米尺寸效应，即形成稳定的纳米级空气层，使界面形态呈凸凹丛针状纳米结构.犹如荷叶的疏水功能，从而织物具有防水、防油、防污功能，此时，水在仿荷叶状的界面上呈球状，稍有外力，即可快速滑动，而不在表面留下任何痕迹，呈现出超强的疏水、疏油功能，使常温中自然下落的水珠及动植物油不能渗入织物纤维内部。这种功能材料称为超双疏界面材料.若是将此自清洁材料市场化，我们的衣服可以大大减少洗涤次数，同时可以减少洗衣液、洗衣粉的使用，为节约资源、保护水环境贡献一份绵薄之力。另一方面，据专家介绍，对此制备工艺稍加调整，就可制备出兼有驱除蚊蝇、抗菌防霉、超强阻燃、抗静电及按需调配的多种功能型界面材料，为人们的生活带来极大的便利，因此应用前景十分廣阔。
2.纳米复合外墙涂料
建筑物的形象在一定程度上反映一个城市的文明，因此各地政府纷纷出台政策，规定商业建筑物、住宅小区以及景观道路两侧的建筑物的外立面须隔几年用建筑涂料进行粉饰，以维持其整洁并消除涂鸦与小广告。其中南京市政府为建筑物外立面专门制定了《南京市城市建筑物外立面保持整洁管理规定》，《规定》提出外立面整洁标准：无明显污迹，无残损、脱落，严重变色，无乱挂、乱贴、乱涂、乱刻；附属设施符合城市容貌标准。城市建筑物、构筑物外立面，应当按照下列规定定期清洗保洁，并明确清洁外立面的时间要求：玻璃幕墙，至少每半年清洗一次；装饰板幕墙，至少每年清洗一次；面砖幕墙，至少每年清洗一次；石料幕墙，至少每3年清洗一次；涂料幕墙，至少每 4年涂装出新一次。此举标志着建筑物外立面保洁工作有了第一部法规，这将对相关行业产生重要影响。但是化学清洗剂的会对建筑物有一定的腐蚀，且需配有相关的辅助设备，过程复杂、费用高，同时存在安全风险。因此建筑材料的自清洁引起了人们的思考与重视，近几年来人们致力于纳米符合外墙涂料的研究，以期Sto集团技术人员模仿荷叶的叶面结构，研制出了“荷花王”硅树脂外墙涂料，仿照荷叶表面具有的微米-纳米双重结构特点，把具有独特界面效应的纳米粒子经表面改性处理得到直径大约为1 nm的以峰和谷排列的蜡纳米结晶，并结合特殊分散手段的生产工艺，从而使漆膜表面具有超强疏水特性，这一点已由知名机构进行了检测和验证.在用“荷花王”（Lotusan）涂刷过的墙面上，表面的所有水成为水珠并滚落，在暴雨下表面仍保持干燥.水滴在滚动时将细小的灰尘颗粒收集，以达到与荷叶表面相似的自清洁.脏物随雨水像珍珠般滴落，外墙保持干燥和美观.该纳米复合外墙涂料抗污、耐水、耐酸雨、防霉等性能更优异，若替代瓷砖应用于潮湿最重、污垢较多的卫生间、厨房、医院等建筑的内墙之中，则可延长房屋修缮和维护的周期。总之，由于其优异的超疏水性能可使雨水、冰雪在其表面难以附着，在建筑玻璃、高压电线、挡风玻璃等方面具有广阔的应用前景。
四、展望
目前為止，人们已经掌握了荷叶效应的机理，并逐渐发明出多功能的新型仿荷叶物品。荷叶效应的研究成果的应用前景远远不止这些，若用于现代军事和战争的服装，除了遮风挡雨，可在恶劣的潮湿环境中，使战土们保持干爽舒服之外，还可以防止有毒液体的侵入；若应用于医疗领域，可用作保护医务人员不受血载病菌侵害的医用屏障织物，阻止某些通过血液、唾液传播的疾病在世界范围内的肆虐横行；若应用于建筑材料领域，可使建筑外围履行主动、自我调控、自我更新、自我完善的职能，使其由单一功能型、视角效果型向复合型转变，从而达到缩减城市环卫清洁成本、保持城市美观的目的等等。总而言之，荷叶效应的应用为我们带来极大的便利，我坚信随着科技的发展，会有越来越多的仿荷叶产品涌现，从而更好地改善人们的生活。