Lotus etkisi - Lotus effect

Lotus yaprağının yüzeyindeki su.
Nilüfer efektli (üstte) taro yaprağı üzerindeki su damlacıkları ve büyütülmüş taro yaprağı yüzeyi (0-1 bir milimetredir ) ve birkaç küçük çıkıntı (alt) gösterir.
Lotus yaprağı yüzeyinin bilgisayar grafiği.
Yaklaşık 147°'lik temas açılarını gösteren bir nilüfer yüzeyinde su damlası.

Lotus efekti bir sonucudur kendi kendini temizleme özelliklerine atıfta ultrahydrophobicity yaprakları ile sergilendiği üzere Nelumbo , nilüfer çiçeği. Kir parçacıkları, yüzeydeki mikro ve nanoskopik mimari nedeniyle su damlacıkları tarafından toplanır, bu da damlacıkların o yüzeye yapışmasını en aza indirir. Ultrahidrofobiklik ve kendi kendini temizleme özellikleri, Tropaeolum (nasturtium), Opuntia (dikenli armut), Alchemilla , kamış gibi diğer bitkilerde ve ayrıca bazı böceklerin kanatlarında bulunur.

Ultrahidrofobiklik olgusu ilk kez 1964 yılında Dettre ve Johnson tarafından kaba hidrofobik yüzeyler kullanılarak incelenmiştir. Çalışmaları, parafin veya PTFE telomer ile kaplanmış cam boncuklarla yapılan deneylere dayanan teorik bir model geliştirdi . Ultrahidrofobik mikro nanoyapılı yüzeylerin kendi kendini temizleme özelliği, 1977'de Wilhelm Barthlott ve Ehler tarafından incelenmiş ve bu tür kendi kendini temizleme ve ultrahidrofobik özellikleri ilk kez "nilüfer etkisi" olarak tanımlamıştır; perfloroalkil ve perfloropolieter ultrahidrofobik malzemeler, kimyasal ve biyolojik sıvıları işlemek için 1986 yılında Brown tarafından geliştirilmiştir. Diğer biyoteknik uygulamalar 1990'lardan beri ortaya çıkmıştır.

İşlevsel ilke

Suyun yüksek yüzey gerilimi, bir kürenin minimum yüzey alanına sahip olması nedeniyle damlacıkların neredeyse küresel bir şekil almasına neden olur ve bu nedenle bu şekil katı-sıvı yüzey enerjisini en aza indirir. Sıvının bir yüzeyle teması halinde, yapışma kuvvetleri yüzeyin ıslanmasına neden olur. Yüzeyin yapısına ve damlacığın akışkan gerilimine bağlı olarak tam veya eksik ıslanma meydana gelebilir. Kendi kendini temizleme özelliğinin nedeni, yüzeyin hidrofobik su itici çift yapısıdır. Bu, temas alanının ve yüzey ile damlacık arasındaki yapışma kuvvetinin önemli ölçüde azaltılmasını sağlayarak kendi kendini temizleme işlemine neden olur. Bu hiyerarşik ikili yapı, karakteristik bir epidermis (kütikül adı verilen en dış tabakası) ve örtücü mumlardan oluşur. Lotus bitkisinin epidermisi, 10 μm ila 20 μm yüksekliğinde ve 10 μm ila 15 μm genişliğinde papillalara sahiptir ve bunlar üzerine epikütiküler mumlar uygulanır. Bu üst üste binen mumlar hidrofobiktir ve çift yapının ikinci katmanını oluşturur. Bu sistem kendini yeniler. Bu biyokimyasal özellik, yüzeyin su iticiliğinin işleyişinden sorumludur.

Bir yüzeyin hidrofobikliği, temas açısı ile ölçülebilir . Temas açısı ne kadar yüksek olursa, bir yüzeyin hidrofobikliği o kadar yüksek olur. Temas açısı < 90° olan yüzeyler hidrofilik, > 90° olan yüzeyler hidrofobik olarak adlandırılır. Bazı bitkiler 160°'ye kadar temas açıları gösterir ve ultrahidrofobik olarak adlandırılır, yani bir damlacık yüzeyinin (tipik boyutta) yalnızca %2-3'ü temas halindedir. Lotus gibi çift yapılı bir yüzeye sahip bitkiler, 170°'lik bir temas açısına ulaşabilir, bu sayede damlacık temas alanı sadece %0,6'dır. Bütün bunlar kendi kendini temizleme etkisine yol açar.

Son derece azaltılmış temas alanına sahip kir parçacıkları su damlacıkları tarafından alınır ve böylece yüzeyden kolayca temizlenir. Bir su damlası böyle kirlenmiş bir yüzey boyunca yuvarlanırsa, kimyasından bağımsız olarak kir parçacığı ve damlacık arasındaki yapışma, parçacık ve yüzey arasındakinden daha yüksektir. Bu temizleme etkisi, süperhidrofobik bir yüzey üretildiğinde paslanmaz çelik gibi yaygın malzemeler üzerinde kanıtlanmıştır. Bu kendi kendini temizleme etkisi suyun yüksek yüzey gerilimine dayandığından organik çözücülerle çalışmaz. Bu nedenle, bir yüzeyin hidrofobikliği, duvar yazılarına karşı koruma sağlamaz.

Bu etki, bitkiler için mantar veya alg oluşumu gibi patojenlere karşı koruma olarak ve ayrıca kelebek , yusufçuk ve diğer böcekler gibi tüm vücut kısımlarını temizleyemeyen hayvanlar için büyük önem taşımaktadır . Kendi kendini temizlemenin bir başka olumlu etkisi de, bitki yüzeyinin ışığa maruz kalan alanının kontaminasyonunun önlenmesidir ve bu da fotosentezin azalmasına neden olur.

Teknik uygulama

Ultrahidrofobik yüzeylerin kendi kendini temizleme özelliklerinin, yaprak yüzeyinin spesifik kimyasal özelliklerinden ziyade mikroskobik ila nanoskopik ölçekteki fiziksel-kimyasal özelliklerden geldiği keşfedildiğinde, bu etkiyi taklit ederek yapay yüzeylerde kullanma olasılığı ortaya çıktı. belirli bir şekilde değil, genel bir şekilde doğa.

Bazı nanoteknoloji uzmanları , nilüfer bitkisi gibi bitkilerin kendi kendini temizleme özelliklerini teknik bir şekilde kopyalayarak kendilerini kuru ve temiz kalabilen işlemler, kaplamalar, boyalar, çatı kiremitleri, kumaşlar ve diğer yüzeyler geliştirdiler. Bu genellikle, yapılandırılmış yüzeyler üzerinde özel florokimyasal veya silikon işlemleri kullanılarak veya mikro ölçekli partiküller içeren bileşimlerle gerçekleştirilebilir.

Zamanla ortadan kaldırılabilen kimyasal yüzey işlemlerine ek olarak, lotus etkisini üretmek için metaller femtosaniye darbeli lazerlerle şekillendirildi. Malzemeler herhangi bir açıda tek tip siyahtır, bu da kendi kendini temizleme özellikleriyle birleştiğinde çok düşük bakım gerektiren güneş enerjisi toplayıcıları üretebilirken, metallerin yüksek dayanıklılığı hastalık bulaşmasını azaltmak için kendi kendini temizleyen tuvaletlerde kullanılabilir.

Bir işbirliği ortağı (Ferro GmbH) tarafından geliştirilen Alman otobanlarındaki trafik kontrol ünitelerinin sensörlerine takılan kendi kendini temizleyen camlar gibi başka uygulamalar da pazarlanmıştır. İsviçreli şirketler HeiQ ve Schoeller Textil markalarıyla "leke tutmaz tekstil geliştirdik HeiQ Eko Kuru " ve " nanoküreciklerin sırasıyla". Ekim 2005'te Hohenstein Araştırma Enstitüsü'nün testleri, NanoSphere teknolojisiyle işlenmiş giysilerin domates sosu, kahve ve kırmızı şarabın birkaç yıkamadan sonra bile kolayca yıkanmasına izin verdiğini gösterdi. Başka bir olası uygulama, aksi takdirde hızla kirlenen ve temizlenmesi zor olan kendi kendini temizleyen tenteler, brandalar ve yelkenlerdir.

Mikrodalga antenlere uygulanan süperhidrofobik kaplamalar, yağmurun solmasını ve buz ve kar oluşumunu önemli ölçüde azaltabilir . Reklamlardaki "temizlemesi kolay" ürünler, genellikle hidrofobik veya ultrahidrofobik yüzeylerin kendi kendini temizleme özellikleri ile karıştırılmaktadır. Desenli ultrahidrofobik yüzeyler ayrıca "çip üzerinde laboratuvar" mikroakışkan cihazları için umut vaat ediyor ve yüzey tabanlı biyoanalizi büyük ölçüde iyileştirebilir.

Süperhidrofobik veya hidrofobik özellikler, çiğ hasadında veya sulamada kullanılmak üzere suyun bir havzaya akıtılmasında kullanılmıştır. Groasis Waterboxx ultrahydrophobic özelliklerine göre mikroskobik piramit yapısı olan bir kapağa sahip olan bir büyüyen bitki köklerine serbest bırakılması için bir havza olarak huni yoğunlaşma ve yağmur olduğu.

Araştırma geçmişi

Lotusun kendi kendini temizleme fenomeni muhtemelen Asya'da çok daha önce biliniyor olsa da (nilüfer etkisine referans Bhagavad Gita'da bulunur ), mekanizması ancak taramalı elektron mikroskobunun tanıtılmasından sonra 1970'lerin başında açıklandı . Tropaeolum ve lotus ( Nelumbo ) yaprakları ile çalışmalar yapılmıştır . "Lotus Etkisi", STO SE & CO. KGAA'nın (ABD Kayıt No. 2613850) tescilli ticari markasıdır. Lotus etkisine benzer şekilde, yakın tarihli bir çalışma, taro yaprağı üzerinde, yaprağı süper hidrofobik yapan petek benzeri mikro yapıları ortaya çıkardı. Bu çalışmada bu yaprak üzerinde ölçülen temas açısı 148 derece civarındadır.


Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar