Lotus Effect: το μυστικό για αυτοκαθαριζόμενες επιφάνειες

Ζωχιός Γεώργιος

Το Lotus Effect

Το lotus effect περιγράφει τις υπερυδρόφοβες και αυτοκαθαριζόμενες ιδιότητες της επιφάνειας των φύλλων του ασιατικού λωτού Nelumbo nucifera. Η υδροφοβικότητα μιας επιφάνειας μπορεί να ποσοτικοποιηθεί ανάλογα με την γωνία επαφής που σχηματίζει μια σταγόνα νερού όταν έρθει σε επαφή με την επιφάνεια αυτή. Για γωνίες επαφής μικρότερες των 90 η επιφάνεια θεωρείται υδρόφιλη, ενώ για μεγαλύτερη γωνία θεωρείται υδρόφοβη. Για τις υπερυδρόφοβες επιφάνειες που εμφανίζουν το lotus effect, η γωνία αυτή ξεπερνά τις 150 μοίρες, κάνοντας τις σταγόνες να αποκτούν ένα σχεδόν σφαιρικό σχήμα και άρα την ελάχιστη επιφάνεια επαφής.

Πως γίνεται ο αυτοκαθαρισμός της επιφάνειας

Μια αναδυόμενη ιδιότητα αυτού του φυσικού φαινομένου είναι ο αυτοκαθαρισμός των επιφανειών. Επειδή η υστέρηση της γωνίας επαφής των σταγόνων στις υπερυδρόφοβες επιφάνειες είναι εξαιρετικά μικρη (μικρότερη από 10 μοίρες) η παραμικρή κλίση της επιφάνειας θα αναγκάσει τις σταγόνες να κυλήσουν πάνω σε αυτή. Στην κίνηση της η σταγόνα συγκρατεί και ετσι απομακρύνει τα σωματίδια σκόνης με τα οποία έρχεται σε επαφή, καθώς οι δυνάμεις συνοχής μεταξύ νερού – σκόνης ξεπερνούν αυτές μεταξύ της υδρόφοβης επιφάνειας – σκόνης. Ακόμα και χωρίς την παρουσία νερου, οι επιφάνειες σκονίζονται λιγότερο επειδή είναι δυσκολότερο για τα σωματίδια της σκόνης να προσκολληθουν. 

 Η σημασία του φαινομένου στο φυτό

Το φαινόμενο αυτό έχει μεγάλη βιολογική σημασία για τον ασιατικό λωτό, καθώς συμβάλλει τόσο στη πλεύση όσο και στην προστασία του φυτού από παθογόνα. Χάρη στην υπερυδροφοβικότητα των φύλλων του, παρεμποδίζεται η συσσώρευση σταγόνων πάνω σε αυτά, κάτι το οποίο δυνητικά θα οδηγούσε στην βύθιση τους. Επιπλέον οι ιδιότητες αυτοκαθαρισμού των φύλλων απομακρύνουν τα σπόρια παθογόνων μυκήτων και φυτοπλανκτού που θα προσέβαλαν το φυτό. Ειναι αξιοσημείωτο πως μερικά είδη εντόμων, όπως οι πεταλούδες και τα οδοντόγναθα παρουσιάζουν ανάλογες επιφάνειες στα φτερά τους και υποδηλώνοντας ότι ο αυτοκαθαρισμός αποτελεί αντικείμενο συγκλίνουσας εξέλιξης.

 Η επιφάνεια των φύλλων του λωτού είναι τραχιά στην επαφή, εξαιτίας των θηλωδών (κωνοειδών) επιδερμικών κυττάρων από τα οποία καλύπτεται. Τα θηλώδη αυτά κύτταρα φέρουν με την σειρά τους επιπλέον τραχύνσεις προερχόμενες από σωληνοειδείς, κρυσταλλικούς, κηρούς της επιδερμίδας. Αυτή η ιεραρχική νανοδομή της επιφάνειας των φύλλων, θυμίζει fractal, και εχει παρατηρηθεί χαρακτηριστικά και σε αλλες φυσικές υπερυδρόφοβες επιφάνειες. Οι σταγόνες νερού στην πραγματικότητα ερχονται σε επαφή μόνο με τις κορυφές των νανοδομών αυτών, επειδή οι κοιλάδες κάτω από την σταγόνα γεμίζουν με αέρα.

Εφαρμογές του lotus effect στη βιομημιτική

 Η νανοδομή μιας υπερυδροφοβης επιφάνειας θα πρέπει να είναι τετοια ωστε να επιτευχθει η σύνθετη διεπαφή μεταξύ της σταγόνας και των παγιδευμένων φυσαλίδων αέρα. Σημαντικό ρόλο παίζει ο λόγος του μεγέθους των μικροτραχύνσεων και των νανοτραχύνσεων σε σχέση με το μέγεθος των σταγόνων. Η κατανόηση και μοντελοποιηση του μηχανισμού υπερυδροφοβικότητας των φύλλων του λωτού βρίσκει αρκετές τεχνολογικές εφαρμογές. Πλέον μπορούν να παραχθούν υπερυδρόφοβες επιφάνειες με δύο μεθόδους: είτε με την τράχυνση ενός ήδη υδρόφοβου υλικού, είτε με την επικάλυψη μιας τραχιάς επιφάνειας με κάποιο υδρόφοβο υλικό. Η τεχνογνωσία αυτή έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή πολλών πρωτότυπων πατεντών, όπως υδρόφοβες μπογίες, ψεκάσματα ή επενδύσεις τζαμιών, υφάσματα για ρούχα ή τεντες και δομικά υλικά κτιρίων και οροφών. Πρόσφατα άρχισε να χρησιμοποιείται και για την κατασκευή επιφανειών με την ικανότητα να συγκρατούν αέρα μέσα στο νερό. Σκοπός αυτών των μελετών είναι η κατασκευή σωληνώσεων ή επιστρώσεων σε πλοία με εξαιρετικά χαμηλή τριβή και αρα μικρότερη απώλεια ενέργειας και κόστους συντήρησης. 

TrueMed-ForLivingMore

Βιβλιογραφία

Bhushan B., Nosonovsky M. (2012) Lotus Effect. In: Bhushan B. (eds) Encyclopedia of Nanotechnology. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-90-481-9751-4_158

 Spaeth, M., Barthlott, W., 2008. Lotus-Effect®: Biomimetic Super-Hydrophobic Surfaces and their Application. AST 60, 38–46. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ast.60.38