로터스 효과

Lotus effect
연잎 표면에 있는 물.
연꽃 효과가 있는 토란잎의 물방울(위), 토란잎의 표면 확대(0-1은 1mm 스팬)는 다수의 작은 돌기(아래)를 나타낸다.
연잎 표면의 컴퓨터 그래픽입니다.
약 147°의 접촉각을 나타내는 연꽃 표면의 물방울.

연꽃 [1]효과는 연꽃인 넬럼보의 잎에서 나타나는 초유동성의 결과인 자가 정화 특성을 말합니다.먼지 입자는 표면의 미세 및 나노 구조 때문에 물방울에 의해 포착되어 그 표면에 대한 물방울의 부착을 최소화합니다.초유동성과 자기 정화 특성은 또한 트로파올룸, 오푼티아, 알케밀라, 지팡이, [2]그리고 특정 곤충의 날개에서도 발견됩니다.

초소수성 현상은 1964년[3] Dettre와 Johnson에 의해 거친 소수성 표면을 사용하여 처음 연구되었다.이들의 연구는 파라핀 또는 PTFE 텔로머로 코팅된 유리 비즈를 사용한 실험을 바탕으로 이론적 모델을 개발했습니다.ultrahydrophobicmicro-nanostructured 면의 자동 청소 속성 빌헬름 Barthlott과 Ehler에 의해 1977,[4]는"연꽃 효과"로 처음으로 하는 등ultrahydrophobic의 특성을 표현에;perfluoroalkyl과 perfluoropolyetherultrahydrophobic 재료 브라운의 1986년 c. 처리를 위해 개발된 공부했다그생체액과 [5]혼합액입니다.다른 생명공학 분야들은 1990년대 [6][7][8][9][10][11]이후로 생겨났다.

기능 원리

물의 높은 표면 장력은 구체의 표면적이 최소이기 때문에 물방울이 거의 구형에 가까운 형태를 띠게 하고, 따라서 이 모양은 고체 액체 표면 에너지를 최소화합니다.액체가 표면에 닿으면 접착력에 의해 표면이 젖게 됩니다.표면의 구조와 액체 방울의 [12]유체 장력에 따라 완전 습윤 또는 불완전 습윤이 발생할 수 있습니다.셀프클리닝 성질의 원인은 표면의 [13]소수성 발수 이중구조입니다.이를 통해 표면과 액체 사이의 접촉 면적과 접착력을 크게 줄일 수 있어 셀프 클리닝 [14][15][16]프로세스가 가능합니다.이 계층적 이중 구조는 특징적인 표피(큐티클이라고 불리는 가장 바깥쪽 층)와 피복 왁스로 형성됩니다.연꽃의 표피는 높이 10μm~20μm, 폭 10μm~15μm의 유두(ill頭)를 가지며, 이 유두(ill頭)는 이른바 상피(上ut)를 입힌다.이 겹친 왁스는 소수성이고 이중 구조의 두 번째 층을 형성합니다.이 시스템은 재생됩니다.이 생화학적 성질은 표면의 발수 기능을 담당한다.

표면의 소수성은 접촉 각도로 측정할 수 있습니다.접촉각이 높을수록 표면의 소수성이 높아집니다.접촉각이 90° 미만인 표면은 친수성, 90° 미만인 표면은 소수성이라고 한다.일부 식물은 최대 160°의 접촉각을 나타내며 초소수성으로 불리며, 이는 물방울 표면의 2~3%만이 접촉한다는 것을 의미한다.연꽃과 같이 이중 구조의 표면을 가진 식물은 170°의 접촉 각도에 도달할 수 있으며, 따라서 물방울의 접촉 면적이 0.6%에 불과합니다.이 모든 것이 자가 청소 효과로 이어집니다.

접촉면적이 극히 적은 먼지 입자는 물방울에 포착되어 표면에서 쉽게 청소할 수 있다.물방울이 오염된 표면을 가로질러 굴러갔을 경우, 그 성질에 관계없이 먼지 입자 간의 접착력이 입자와 표면 사이의 접착력보다 더 높아진다.이러한 세척 효과는 초소수성 표면이 [17]생성될 때 스테인리스강과 같은 일반적인 재료에서 입증되었습니다.이 자가 세척 효과는 물의 높은 표면 장력에 기초하기 때문에 유기 용제에는 작용하지 않습니다.그러므로 표면의 소수성은 그래피티로부터 보호되지 않는다.

이 효과는 균류나 조류 성장과 같은 병원균에 대한 보호책으로서 식물에게 매우 중요하며 나비, 잠자리, 그리고 몸의 모든 부분을 씻을 수 없는 다른 곤충들에게도 매우 중요하다.셀프 클리닝의 또 다른 긍정적인 효과는 빛에 노출되는 식물 표면의 오염을 방지하여 광합성을 감소시키는 것입니다.

기술 응용 프로그램

비가 언제ultrahydrophobic 표면의 자신을 깨끗하게 하기 위한 특성 물리 화학적 속성에서 현미경에서nanoscopic 규모는 것보다 잎의 특정 화학적 성질에서 온 발견되었다 인간이 만든 표면에, 일반적인 방식 ra의 자연을 모방함으로써 이 효과를 이용할 가능성이 일었다 surface,[18][19][20].씨푸드보다구체적인 것.

일부 나노테크놀로지스트들은 연꽃 식물과 같은 식물의 자가 세척 특성을 기술적인 방식으로 복제함으로써 건조하고 스스로 청소할 수 있는 처리, 코팅, 페인트, 기와, 직물 및 기타 표면을 개발했습니다.이것은 일반적으로 구조화된 표면에 특수 불화학적 또는 실리콘 처리를 사용하거나 미세 스케일 입자를 포함하는 조성물을 사용하여 달성할 수 있습니다.

시간이 지남에 따라 제거될 수 있는 화학적 표면 처리와 더불어, 금속은 [21]연꽃 효과를 내기 위해 펨토초 펄스 레이저로 조각되었다.이 재료는 어느 각도에서나 균일하게 검은색이며, 자체 세척 특성과 결합하면 유지보수가 매우 적은 태양열 에너지 수집기를 생산할 수 있으며, 금속의 높은 내구성은 질병 전염을 줄이기 [22]위한 자가 세척 변기에 사용될 수 있습니다.

협력 파트너(Ferro GmbH)[citation needed]가 개발한 독일 오토반(Autobahn)의 교통 관제 유닛 센서에 장착된 셀프 클리닝 안경 등, 한층 더 많은 애플리케이션이 시판되고 있습니다.스위스 하이큐와 숄러 텍틸은 각각 '하이큐 에코 드라이'와 '나노스피어'라는 브랜드로 얼룩 방지 직물을 개발했다.2005년 10월, 호엔슈타인 연구소의 테스트 결과, 나노스피어 기술로 처리된 옷은 몇 번 세탁해도 토마토 소스, 커피, 레드와인이 쉽게 씻겨 내려갈 수 있었다.따라서 다른 가능한 적용 방법은 자동 청소 덮개, 방수포 및 돛을 사용하는 것입니다. 그렇지 않으면 금방 더러워지고 세척이 어렵습니다.

마이크로파 안테나에 적용된 초소수성 코팅은 비의 퇴색 및 얼음과 눈의 축적을 크게 줄일 수 있다.광고에서 "청소하기 쉬운" 제품은 소수성 또는 초소수성 [clarification needed]표면의 자가 세척 특성으로 잘못 인식되는 경우가 많습니다.패턴화된 초소수성 표면은 또한 "랩 온 어 칩" 마이크로 유체 장치에 대한 가능성을 보여주며 표면 기반 생물 [23]분석을 크게 개선할 수 있습니다.

초소수성 또는 소수성 특성은 이슬을 채취하거나 관개용으로 물을 대야로 흘려보내는 데 사용되어 왔다.그로아시스 워터박스는 응축과 빗물을 분지에 흘려보내 성장 중인 식물의 [24]뿌리에 방출하는 초소수성 특성을 기반으로 한 미세한 피라미드 구조의 뚜껑을 가지고 있다.

연구 이력

연꽃의 자기 정화 현상은 오래전부터 아시아에 알려져 있었을 가능성이 있지만(연꽃 효과에 대한 언급은 바가바드[25] 기타에서 볼 수 있다), 그 메커니즘은 주사 전자 [4][16]현미경의 도입 이후인 1970년대 초에야 설명되었다.Tropaeolum 잎과 연꽃(Nelumbo)[6]으로 연구를 수행했다.연꽃 효과와 유사하게, 최근 연구는 토란 잎에 초소수성을 만드는 벌집 모양의 미세 구조가 있다는 것을 밝혀냈다.이 연구에서 이 잎의 측정된 접촉 각도는 [26]약 148도입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Lafuma, A.; Quere, D. (2003). "Superhydrophobic states". Nature Materials. 2 (7): 457–460. Bibcode:2003NatMa...2..457L. doi:10.1038/nmat924. PMID 12819775. S2CID 19652818.
  2. ^ Darmanin, Thierry; Guittard, Frédéric (1 June 2015). "Superhydrophobic and superoleophobic properties in nature". Materials Today. 18 (5): 273–285. doi:10.1016/j.mattod.2015.01.001.
  3. ^ Rulon E. JohnsonJr.; Robert H. Dettre (1964). "Contact Angle Hysteresis. III. Study of an Idealized Heterogeneous Surface". J. Phys. Chem. 68 (7): 1744–1750. doi:10.1021/j100789a012.
  4. ^ a b Barthlott, Wilhelm; Ehler, N. (1977). "Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten". Tropische und Subtropische Pflanzenwelt. 19: 110.
  5. ^ 소수성 코팅 및 동일한 미국 특허 5,853,894를 제조하기 위한 공정을 가진 브라운 실험실 선박, 1998년 12월 29일 발행
  6. ^ a b Barthlott, Wilhelm; C. Neinhuis (1997). "The purity of sacred lotus or escape from contamination in biological surfaces". Planta. 202: 1–8. doi:10.1007/s004250050096. S2CID 37872229.
  7. ^ Barthlott, W., Mail, M., Bushan, B. 및 K. Koch. (2017).식물 표면:생체 모방 혁신을 위한 구조와 기능.Nano-Micro Letters, 9(23), doi:10.1007/s40820-016-0125-1.
  8. ^ Cheng, Y. T.; Rodak, D. E. (2005). "Is the lotus leaf superhydrophobic?". Appl. Phys. Lett. 86 (14): 144101. Bibcode:2005ApPhL..86n4101C. doi:10.1063/1.1895487.
  9. ^ Narhe, R. D.; Beysens, D. A. (2006). "Water condensation on a super-hydrophobic spike surface". Europhys. Lett. 75 (1): 98–104. Bibcode:2006EL.....75...98N. doi:10.1209/epl/i2006-10069-9.
  10. ^ Lai, S.C.S. "Mimicking nature: Physical basis and artificial synthesis of the Lotus effect" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2007-09-30.
  11. ^ Koch, K.; Bhushan, B.; Barthlott, W. (2008). "Diversity of structure, Morphology and Wetting of Plant Surfaces. Soft matter". Soft Matter. 4 (10): 1943. Bibcode:2008SMat....4.1943K. doi:10.1039/b804854a.
  12. ^ von Baeyer; H. C. (2000). "The Lotus Effect". The Sciences. 40: 12–15. doi:10.1002/j.2326-1951.2000.tb03461.x.
  13. ^ Neinhuis, C.; Barthlott, W. (1997). "Characterization and distribution of water-repellent, self-cleaning plant surfaces". Annals of Botany. 79 (6): 667–677. doi:10.1006/anbo.1997.0400.
  14. ^ Barthlott, Wilhelm; Neinhuis, C. (2001). "The lotus-effect: nature's model for self cleaning surfaces". International Textile Bulletin. 1: 8–12.
  15. ^ Forbes, P. (2005). The Gecko's Foot, Bio-inspiration – Engineering New Materials and devices from Nature. London: Fourth Estate. p. 272. ISBN 978-0-00-717990-9.
  16. ^ a b Forbes, P. (2008). "Self-Cleaning Materials". Scientific American. 299 (2): 67–75. Bibcode:2008SciAm.299b..88F. doi:10.1038/scientificamerican0808-88. PMID 18666684.
  17. ^ Serles, Peter; Nikumb, Suwas; Bordatchev, Evgueni (2018-06-15). "Superhydrophobic and superhydrophilic functionalized surfaces by picosecond laser texturing". Journal of Laser Applications. 30 (3): 032505. Bibcode:2018JLasA..30c2505S. doi:10.2351/1.5040641. ISSN 1042-346X.
  18. ^ Solga, A.; Cerman, Z.; Striffler, B. F.; Spaeth, M.; Barthlott, W. (2007). "The dream of staying clean: Lotus and biomimetic surfaces". Bioinspiration & Biomimetics. 2 (4): S126–S134. Bibcode:2007BiBi....2..126S. CiteSeerX 10.1.1.477.693. doi:10.1088/1748-3182/2/4/S02. PMID 18037722.
  19. ^ Mueller, T. (April 2008). "Biomimetics, Design by Nature". National Geographic Magazine: 68.
  20. ^ Guo, Z.; Zhou, F.; Hao, J.; Liu, W. (2005). "Stable Biomimetic Super-Hydrophobic Engineering Materials". J. Am. Chem. Soc. 127 (45): 15670–15671. doi:10.1021/ja0547836. PMID 16277486.
  21. ^ Vorobyev, A. Y.; Guo, Chunlei (2015). "Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses". Journal of Applied Physics. 117 (3): 033103. Bibcode:2015JAP...117c3103V. doi:10.1063/1.4905616.
  22. ^ Borghino, Dario (21 January 2015). "Lasers help create water-repelling, light-absorbing, self-cleaning metals". gizmag.com.
  23. ^ Ressine, A.; Marko-Varga, G.; Laurell, T. (2007). Porous silicon protein microarray technology and ultra-/superhydrophobic states for improved bioanalytical readout. Biotechnology Annual Review. Vol. 13. pp. 149–200. doi:10.1016/S1387-2656(07)13007-6. ISBN 978-0-444-53032-5. PMID 17875477.
  24. ^ "The different forms of condensation - Technology".
  25. ^ Bhagavad Gita 5.10 Wayback Machine에서 2012-09-10 아카이브 완료
  26. ^ Kumar, Manish; Bhardwaj (2020). "Wetting characteristics of Colocasia esculenta (Taro) leaf and a bioinspired surface thereof". Scientific Reports. 10 (1): 935. Bibcode:2020NatSR..10..935K. doi:10.1038/s41598-020-57410-2. PMC 6976613. PMID 31969578.

외부 링크

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