Superhydrofobní tajemství čistoty lotosových květů

čtvrtek 22. říjen 2009 23:28

Lotos (lat. Nelumbo) je vodní rostlina podobná našemu leknínu. Lotos je ve východní kultuře znám jako ztělesnění čistoty a krásy a v řadě náboženství je důležitým symbolem, uctívali ho staří Egypťané, Indové i buddhisté. V buddhismu se jeho prostřednictvím zobrazuje kultivace lidského ducha, jelikož květ vyrůstá z bahna na dně vodních ploch, a přesto zůstává překrásně čistý. Buddha je často zobrazován, jak stojí nebo sedí na velikém lotosovém květu - prvním, který se podle mýtů objevil na Zemi. Odpověď na otázku, proč lotosový květ vypadá vždy jako ze škatulky zodpověděl vědecký výzkum. Povrch listů a květů této rostliny je pokryt zvláštní nepřilnavou vrstvou, po které snadno sklouzávají kapky vody a odnášejí tak s sebou různé nečistoty.

Drobné vodní kapky se při pádu z malé výšky odrážejí Voskem pokryté hrbolky (trichomy) na povrchu lotosového listu


Kapky rtuti jsou známé tím, že se špatně spojují dohromady, ve zkumavce je lze roztřepat na jemný černý prášek, který je tvořen mikroskopickými kapičkami, jejichž povrch je tak zakřiven, že se již nedokážou samy znovu spojit. Podobně jako drobné rtuťové kapky, i kapky vody jsou při malém poloměru zřetelně vodoodpudivé v důsledku povrchového napětí a odrážejí se pak od vodní hladiny i od sebe navzájem. Vodoodpudivost lotosu nutí kapky k silnému zakřivení jejich povrchu tím, že povrch listu není rovný, ale je pokryt drobnými výčnělky, které se do vodního povrchu zapichují. Lotos je v tomto ohledu velmi důsledný a obsahuje fraktální strukturu hrbolků, jejíž rozměry sahají až do úrovně molekul. Na povrchu listu jsou drobné hrbolky - přeměněné chlupy (trichomy) s rozměrem asi dvě setiny milimetru (0,02 mm). Ty jsou pokryté drobnými šupinkami vosku ve tvaru jehliček o průměru jednoho mikronu (tisiny milimetru). Povrch jehliček tvoří molekuly vosku, které mají samy charakter dlouhých tuhých řetězců o délce několik miliontin milimetru. Toto opatření činí vodoodpudivou vrstvu odolnou proti kapkám vody všech možných velikostí. Takové povrchy se označují jako superhydrofobní, čili silně zapuzující vodu (z řečtiny hydros = voda, fobein = bát se).

Voskem pokryté hrbolky (trichomy) na povrchu lotosového listu

Nedávná pozorování ukázala, že struktura chlupů na povrchu listu lotosu má ještě jednu funkci. Dlouho se mělo za to, že samočistící efekt listů je způsoben tím, že při dešti vodní kapky narážejí do listu, nabalují na sebe nečistoty a tím je z listu smývají, aniž se namočí. To je jistě přijatelné vysvětlení, ale je známo, že listy zůstávají čisté i když dlouho neprší - jak to ten lotos dělá?

Samočistící mechanismus povrchu lotosového listu

Vysvětlení spočívá právě ve dvojím charakteru povrchu listu. Zatímco voskem pokryté hrbolky jsou silně nesmáčivé, povrch listu mezi hrbolky odpuzuje vodu jen slabě. Jelikož lotos vyrůstá na vodní hladině, v časných ranních hodinách je atmosféra nasycena vlhkostí, která na povrchu listů kondenzuje jako rosa. Jelikož kapky rosy jsou ze začátku velmi malé, usazují se na volném povrchu listu mezi hrbolky, kde vytvářejí víceméně souvislý povrch. Jakmile se ale začnou dotýkat voskovitých hrbolků, začnou být od listu odpuzovány a jakmile dosáhnou určité velikosti, síly povrchového napětí kapky od povrchu listu odtrhnou , takže od něj doslova odskočí. Do kapek se strhují i nečistoty a soli nahromaděné na povrchu listu, který se tak každý den vykoupe v ranní rose, takže jeho průduchy zůstávají stále čisté. Fyzikům se podařilo celý proces nafilmovat na kousku listu, který si za tím účelem přinesli do laboratoře.

Povrch lotosového listu vystřeluje kondenzující kapky rosy Povrch lotosového listu vystřeluje kondenzující kapky rosy

Podobný mechanismus ale v přírodě není nijak výjimečný. Zajímavý způsob vyvinula řada běžných hub, u kterých výtrusy vyrůstají po jednom na krátkých stopkách, tzv. stopkovýtrusné houby. Využívají přitom povrchové napětí vodních kapek, které smáčeji povrch houby, ale už ne mastný výtrus, prosycený oleji a silicemi. Ve vlhkém vzduchu na stopkách houby postupně kondenzují drobné kapičky vody, které výtrusy vystřelují vysokou rychlostí, jakmile se jim podaří výtrus od stopky odtrhnout. Tím houba šíří své výtrusy do okolí právě v době, kdy je atmosféra vlhká a podmínky pro jejich vyklíčení příznivé. Výtrusy samotné jsou často povrchově upraveny tak, aby vodu odpuzovaly co nejvíce. Na obrázku vpravo vidíme výtrus plavuně: i přes svou nepatrnou velikost je pokryt voštinovitou strukturou, která se při styku s vodní hladinou chová jako nesmáčivá a umožňuje výtrusu urazit dlouhou cestu po hladině potoka, aniž se přitom namočí a potopí.

Princip šíření výtrusů stopkovýtrusných hub Výtrus plavuně (300x zvětšeno)

Chování nerovného povrchu využívá celá řada dalších rostlin (známé jsou např. kapky na listech kontryhelu) i vodních živočichů, kterým povrchové napětí umožňuje bezpečný pohyb po hladině vody (vodoměrky) i pod ní (např. pavouk vodouch). Komáři a moskyti dokonce využívají povrchové napětí vody oběma způsoby. Na vodní hladině unesou až patnáctinásobek své váhy a můžou po ní skákat, protože mají konce nožiček pokryty drobnými lamelovitými lištami, které odpuzují vodu (viz obr. níže vlevo). Chůzi po vodní hladině využívají pouze v době, kdy kladou do vody vajíčka. Ta naopak přilepují pod hladinu - stejný princip, který vodu odpuzuje se pod vodní hladinou stává zdrojem silné přitažlivé síly, díky které se komáří larvy vyvíjejí bezpečně zavěšené na vodní hladině, kde mají dostatek kyslíku a neutopí se.

Hydrofobní lamely na noze moskyta Larvy komára zavěšené na vodní hladině

Vododpudivé chování zakřiveného povrchu si můžeme snadno vyzkoušet i doma. Při zametání se omezuje prášení pokropením povrchu - přitom si můžeme všimnout, že drobné kapky vody se s prachem nespojují ale naopak se jím obalí do drobných kuliček, které se v prachu kutálejí. Na vodní hladině může plavat např. tenká jehla, nebo kancelářská sponka, pokud ji tam opatrně položíme: čím tenčí drát, tím je vodní povrch prohnutější jako pod nožkami vodoměrky a jeho poloha stabilnější. V kuchyni lze superhydrofobní povrch připravit očazením povrchu skla nebo talíře plamenem svíčky, čímž se na něm zachytí drobné mastné částice sazí. Vypuštěním vodní kapky na povrch sazí získáme drobnou kuličku, která se po povrchu pohybuje bez odporu a lze s ní hrát jakýsi hokej vyfukovaním vzduchu pomocí brčka.

Jehla plovoucí po hladině vody Vodoměrka

Popsané jevy se již dlouho zkoušejí využít v průmyslové praxi, ale prozatím s nepříliš přesvědčivými výsledky. Např. keramika používaná pro izolátory vedení vysokého napětí  musí být udržovaná v čistotě a suchu i při stékajícím dešti, aby na vysokonapěťové lince nedošlo ke zkratu. Pokrytím povrchu keramiky hydrofobním povrchem se dosáhne toho, že déšť po izolátoru nestéká, ale dopadající kapky se od něj ihned odrážejí. Takový povrch vznikne např. pokrytím povrchu izolátoru silikonovým plastem, který se naleptá paprskem studené plasmy. Rychle letící ionty povrch měkkého materiálu rozruší tak, že je tvořen ostrými hroty, které se zapichují do povrchu vodních kapek a odpuzují ho. Podobně lze upravit papír, textil, dřevo, sklo i kov, na který se plasmou nanese tenká vrstva vodoodpudivého materiálu (viz obr. níže). Touto úpravou se stanou tyto materiály nesmáčivé, což zjednodušuje jejich čištění (tkaniny) i údržbu (např. dlaždičky v koupelnách nebo povrch slunečních článků) i manipulaci (hubičky konviček a džbánků). Hydrofobní listy lotosu však mají proti uměle připravovaným povrchům jednu velkou výhodu: jejich vodoodpudivá vrstva se průběžně obnovuje. Dokud se takový samoobnovující povrch nenaučíme vyrábět, podobné technologie těžko mohou nalézt praktické využití, protože umělé hydrofobní povrchy jsou příliš choulostivé a nestálé vůči nepříznivým klimatickým podmínkám.

Umělý superhydrofobní povrch odpuzující kapky vody Umělý hydrofobní povrch připravený plasmovým nanášením  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

PetrikTady je ukázka videa21:0227.11.2009 21:02:26
PetrikDěkuji11:2418.11.2009 11:24:24
NULIVím, že nic nevím,20:4924.10.2009 20:49:01

Počet příspěvků: 3, poslední 27.11.2009 21:02:26 Zobrazuji posledních 3 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik