Lotus Effekten
"Lotus effekten" er et begrep som brukes for å beskrive de bemerkelsesverdige vannavvisende egenskapene som er observert på lotus blader (Nelumbo). Det er et fenomen der vanndråper perles og ruller av bladets overflate og samtidig tar skitt og forurensninger med seg. Denne effekten har vært en inspirasjonskilde for forskere og ingeniører som jobber innen hydrofob overflatebehandling, spesielt de som bruker nanoteknologi.
Lotus effekten ble først vitenskapelig beskrevet og navngitt i 1977. Begrepet stammet fra de unike vannavvisende egenskapene til lotusblader. En av pionerene i å studere denne effekten var Dr. Wilhelm Barthlott, en tysk botaniker. Han og teamet hans oppdaget at lotusblader har en unik mikro- og nanostruktur på overflaten. Denne strukturen består av bittesmå, voksbelagte "humper" som skaper en grov og ujevn overflatetopografi. Når vann kommer i kontakt med denne overflaten dannes det sfæriske dråper som ruller raskt av og fører bort støv og forurensninger. Lotus planten er derfor alltid naturlig ren.
Denne oppdagelsen hadde en betydelig innvirkning på feltet overflateteknikk og nanoteknologi. Den tilbød en naturlig modell for å lage superhydrofobe overflater og inspirerte forskere til å gjenskape lotus effekten i forskjellige applikasjoner.
Oppdagelsen av lotus effekten er av stor betydning innen hydrofob overflatebehandling basert på nanoteknologi av flere grunner.
Inspirasjon til superhydrofob coating
Lotus effekten ga en naturlig blåkopi for å lage superhydrofobe coatinger. Ved å etterligne mikro- og nanostrukturene som ble funnet på lotusblader var forskere og ingeniører i stand til å utvikle coating som kunne gjøre overflater ekstremt vannavstøtende. Disse coatingene anvendes som selvrensende materialer, anti-ising, antikorrosjon og mye mer.
Bredere applikasjoner
Utover selvrensende overflater har lotus effekten blitt brukt i applikasjoner av forskjellige bransjer. For eksempel er det blitt brukt i romfart som anti-ising behandlinger, i konstruksjon for å beskytte byggematerialer og i helsevesenet for å lage antibakterielle overflater.
Fremskritt i nanoteknologi
Replikering av lotus effekten har presset grensene for nanoteknologi. Forskere har gått inn for å utforme presise overflatestrukturer på nanonivå, som har åpnet for nye muligheter for å lage avanserte materialer med unike egenskaper.
Funksjonalitet - Lotus planten
Den høye overflatespenningen av vann (mot den lave overflatespenningen til superhydrofobe overflater) får dråper til å innta en nesten sfærisk form, siden en sfære har minimalt overflateareal, og denne formen minimerer derfor den fast/flytende overflateenergien. Ved kontakt mellom en væske og en fast overflate fører vedheftkrefter til fukting av overflaten. Enten fullstendig eller ufullstendig fukting kan oppstå avhengig av strukturen på overflaten og væskespenningen på dråpen.
Årsaken til de selvrensende egenskapene er den hydrofobe dobbeltstrukturen på overflaten. Dette gjør at kontaktområdet og vedheftkraften mellom overflaten og dråpen kan reduseres betydelig, noe som resulterer i en selvrensende effekt. Denne hierarkiske dobbeltstrukturen er dannet av et karakteristisk overflatelag (dets ytterste lag kalt kutikula) og dekkende voks.
Det ytterste laget av lotusplanten har papiller fra 10 μm til 20 μm i høyden og 10 um til 15 μm i bredden, som de såkalte epikutikulære vokspartiklene er belagt med. Disse vokspartiklene er hydrofobe og danner det andre laget av dobbeltstrukturen. Systemet regenereres kontinuerlig og denne biokjemiske strukturen er årsaken til funksjonen til overflatenes vannavstøtende egenskaper.
Hydrofobisiteten til en overflate kan måles ved kontaktvinkelen. Jo høyere kontaktvinkel, jo høyere er hydrofobisiteten til en overflate. Overflater med en kontaktvinkel <90° blir referert til som hydrofil (vann elskende) og de med en vinkel >90° som hydrofobe (vann hatende). Noen planter viser kontaktvinkler opp til 160° og kalles superhydrofobe/ultrahydrofobe (>150°), noe som betyr at bare 2-3% av overflaten til en dråpe (av typisk størrelse) er i kontakt med overflaten. Planter med en dobbelstrukturert overflate som lotus planten kan nå en kontaktvinkel på 170°, hvorved dråpens kontaktområde til overflaten bare er 0,6%. Alt dette fører til en selvrensende effekt.
Skittpartikler med redusert kontaktområde blir plukket opp av vanndråper og blir dermed lett renset fra overflaten (se illustrasjon over). Denne rengjøringseffekten er påvist på vanlige materialer som for eksempel rustfritt stål, når en superhydrofob overflate produseres. Siden denne selvrensende effekten er basert på den høye overflatespenningen til vann og den lave overflatespenningen til superhydrofobe belegg, fungerer den ikke med organiske løsningsmidler.
Effekten er av stor betydning for planter og fungerer som en beskyttelse mot patogener som sopp eller algevekst. Også for dyr som sommerfugler, øyenstikkere og andre insekter som ikke er i stand til å rense alle kroppsdelene selv. En annen positiv effekt av selvrensing er forebygging av forurensning av området til en planteoverflate som blir utsatt for lys, noe som resulterer i redusert fotosyntese.
Kilde: WOLFRAM TECHNOLOGIES