Исследовательская работа по теме «Эффект лотоса»

Эффект лотоса

Оглавление

Введение………………………………………………........…..…………………………...2-3

I. Теоретическая часть…………………………………......….........................................…3-8

1. Явление самоочистки растений…………………………….………………………..…... 3

2. Эффект лотоса в живой природе………………………………………………………..4-5

3. Свойства поверхностей …………………………………………………………………5-6

4. «Эффект лотоса» в промышленности и строительстве………………………………6-8

II. Практическая часть………………………………………….........................................8-11

1. Исследование гидрофобности некоторых растений…………………..…..………….8-9

2. Исследование гидрофобности некоторых поверхностей……………...…………….9-10

3. Наблюдение за необработанными поверхностями и поверхностями, обработанными специальными средствами…...........................................................................................10-11

Заключение……………………………..…………………………………………………....11

Список литературы…………………………………………..................................………..12

Приложения………………………………………………….…………………………...13-15

Введение

Люди всегда заимствовали новые технологические решения у природы, которая потратила на их развитие миллионы лет эволюции, исключение не составил и эффект лотоса. Благодаря особому строению листьев и лепестков цветы лотоса остаются удивительно чистыми — именно это поражало наших далёких предков. Любая влага, попадающая на лепестки лотоса, сразу собирается в капли, которые скатываются вниз, прихватывая с собой частички грязи, пыли, оказавшиеся на пути.

Это свойство листьев лотоса привлекло внимание учёных многих стран и, конечно, не оставило равнодушной меня.

Объект исследования: различные поверхности

Предмет исследования: эффект лотоса на примерах самоочищения различных поверхностей.

Цель: изучение эффекта лотоса на примерах самоочищения различных поверхностей.

Задачи:

Изучить различные источники информации по теме исследования:

о природных объектах, обладающих «эффектом лотоса» в растительном (листья, цветы растений и др.) и животном мире (крылья насекомых, перья птиц и др.);

о наиболее актуальных направлениях применения данного явления в разработках промышленности.

Исследовать гидрофильность или гидрофобность исследуемых поверхностей.

Гипотеза: эффект лотоса можно воспроизвести на различных поверхностях.

Всем известно, что, если поместить каплю жидкости на плоскую поверхность, она либо примет округлую форму, либо растечется по ней. В первом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность (краевой угол больше 90°), а во втором — смачивает ее (краевой угол меньше 90°). Иначе говорят, что в первом случае поверхность по отношению к данной жидкости лиофобна (от греч. лио — растворяю, фобио – бояться), а во втором — лиофильна (филио — любить).

В случае воды говорят о гидрофобных и гидрофильных покрытиях.

Проведенные нами наблюдения и опыты показали, что тела, обладающие «эффектом лотоса» встречаются редко. Но поверхности после обработки специальными жидкостями становятся гидрофобными и супергидрофобными, то есть могут обладать «эффектом лотоса».

Теоретическая часть

Явление самоочистки растений

Издревле цветок лотоса (лат.Nelumbo nucifera) считается в буддизме символом незапятнанной чистоты, так как известно, что листья и нежно-розовые или синеватые цветки лотоса остаются даже в грязной тине водоемов безупречно чистыми.

Явление самоочистки детально исследовалось учеными и позволило открыть удивительные возможности природы защищаться не только от грязи, но также и от различных микроорганизмов. Были направлены усилия на создание самоочищающихся поверхностей. Прецедентом для этого послужило естественное природное явление – несмачиваемость и высочайшая степень очистки поверхности листьев и лепестков лотоса, настурции, тростника обыкновенного. Очень долго исследователи не могли раскрыть суть этого явления. [1], [5]

В 1960-х годах значительного технического совершенства достигли электронные микроскопы, что позволило в дальнейшем делать многие важные открытия в разных научных областях. В середине 70-х годов прошлого века немецкими учеными-ботаниками Боннского университета Вильгельмом Бартхлоттом (WilhelmBarthlott) и Кристофом Найнуйсом (ChristophNeinhuis) было открыто явление самоочистки листьев и цветков некоторых растений, а также тот факт, что этот феномен объясняется особым наноструктурированным состоянием их поверхности. Впоследствии это явление ими было запатентовано и названо в честь наиболее яркого представителя таких растений – Lotus-effect® (эффект лотоса). [1], [5], [10]

Эффект лотоса в живой природе

Эффект лотоса — эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и лепестках растений рода Лотос (Nelumbo), и других растений. [11]

Данный эффект наблюдается не только у лотоса, но и у других растений (листья кактуса, капусты, камыша, водосбора, тюльпана), а также у насекомых (например, крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природой свойством защиты от различных загрязнений, в большей степени неорганического (пыль, сажа), а также биологического происхождения (споры грибков, микробов, водоросли и т.д.). [8], [9]

С помощью электронных микроскопов исследователями было обнаружено, что листья и цветки некоторых растений выделяют воскоподобное вещество кутин, представляющее собой смесь высших жирных кислот и их эфиров, которые образуют на поверхности особую структуру (нанорельеф) в виде «шипов»

Лотос-эффект не является каким-то случайным феноменом, он возник в результате эволюции и вызван необходимостью выживания растений. Он предотвращает появление патогенных субстанций на таких поверхностях: споры легко смываются при каждом дожде, а при отсутствии дождя нет и влаги как условия для жизнедеятельности, размножения и паразитирования спор. На «оптимизированных» поверхностях (например, листке или цветке лотоса) проявляются супергидрофобные качества, такие, что, например, мед и даже клей на водной основе не прилипают, а полностью стекают с такой поверхности. [5], [13]

Защитные водоотталкивающие свойства оперения водоплавающих птиц в основном обусловлены их особой ребристой структурой, а не наличием на перьях защитных жироподобных веществ, тогда как в случае с поверхностью листа лотоса, эти свойства только дополняют друг друга. Известные многим своими возможностями легкого перемещения (скольжения) по поверхности воды, водяные клопы-водомерки (лат.Gerridae) также используют это природное явление, так как их тело и кончики ног покрыты не смачиваемыми в воде волосками, обеспечивающими, на первый взгляд, их столь удивительные способности. [5]

Похожим образом устроены крылья бабочек и многих других насекомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они потеряли бы способность летать. [6]

Таким образом, лотос-эффект основан исключительно на известных физико-химических явлениях и не привязан только к живым системам; в силу этого самоочищающиеся поверхности технически можно воспроизвести для различных материалов и покрытий.

Свойства поверхностей

На сегодняшний день существуют различные способы защиты от загрязнений поверхностей.

Первый способ подразумевает использование той, или иной комбинации из различных козырьков, очистителей, дворников, систем обдува и обмыва защитных стекол. Менее экзотичный и весьма банальный способ, элементарно — просто помыть стеклянную  поверхность. Перечисленные варианты очистки относятся к механическим.

Так же существует химический способ, который подразумевает применение специальных защитных покрытий: гидрофобного (водоотталкивающего) и гидрофильного, при попадании на поверхность с данным покрытием – вода растекается по всей поверхности тонкой пленкой. С одной стороны эти покрытия препятствуют загрязнению поверхности, а с другой стороны — при попадании на стекло воды в виде дождя, тумана, снега, росы, способствуют их максимально быстрому удалению с одновременным очищением стекла от загрязнений. [3]

Под гидрофобностью (от древнегреческого ὕδωρ - вода и φόβος - боязнь, страх) следует понимать физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной. [1], [2], [13]

Все мы сталкивались с тем, что если поместить каплю жидкости на плоскую поверхность, она либо растечется, либо примет округлую форму

В большинстве случаев жидкость на поверхности твердого тела остается в виде капли, большей или меньшей толщины, контактирующей с твердым телом под определенным углом.

Краевой (контактный) угол— это угол между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности.

Твердые тела, образующие с водой контактный угол Ɵ<90°, называют гидрофильными, и при Ɵ<90° — гидрофобными.

Н а гидрофильной поверхности жидкость растекается, то есть имеет место частичное (0<Ɵ<90°) или полное смачивание (Ɵ=0°); на гидрофобной, — растекания не происходит (Ɵ>90°). [2]

Краевой угол смачивания гидрофобных и супергидрофобных поверхностей

«Эффект лотоса» в промышленности и строительстве

«Эффект лотоса» используется в промышленности для создания супергидрофобных самоочищающихся покрытий и красок, на которых краевой угол воды превышает 1500. Например, ученые из Массачусетского технологического института (США) недавно разработали «сверхводоотталкивающее» покрытие, состоящее из нескольких слоев микропористой пленки полиэлектролита и кремниевых наночастиц. Ученые признались, что их вдохновил «эффект лотоса». [6]

Важным шагом стало также изобретение гидрофобных покрытий для стекол в автомобилях, которые постоянно подвергаются действию воды и грязи, а потому становятся мутными и ухудшают обзор. Такие покрытия основаны на уменьшении площади соприкосновения капель воды с поверхностью стекла, что позволяет воде стекать, не оставляя подтеков и загрязнений.

Процесс лотос-эффекта: 1 – нанопокрытие; 2 – капля жидкости (воды); 3 – загрязнение; 4 – поверхность (стекло, краска, керамика и т.д.)

Использование таких веществ для стекол имеет массу преимуществ. Любые загрязнения, как-то: снег, дождь, пыль, смолы, капли масла, насекомые – легко удаляются даже потоком воздуха при движении автомобиля или, в более экстремальных условиях, «дворниками». Естественно, более прозрачные стекла улучшают видимость даже в ночное время, а в результате повышается уровень безопасности. Кроме того, это позволяет экономить на стеклоочистителях, ведь их приходится использовать значительно реже. [1], [13]

Конечно, «эффект лотоса» нашел свое применение не только в автомобильной промышленности. Сегодня уже создано множество материалов, способных к самоочищению, обладающих гидрофобными свойствами, например, водоотталкивающие краски для фасадов, покрытия для поездов, незапотевающие стекла, непромокающая одежда и т.д. Развитие нанотехнологий и продолжение изучения их возможностей способно в перспективе принести человечеству еще множество удачных изобретений. [5]

В сфере создания строительных материалов с использованием "эффекта лотоса" также будет проведено множество инновационных проектов. Среди лакокрасочных материалов уже появились краски с "эффектом лотоса", благодаря которым можно покрасить внешнюю части дома и больше не беспокоиться о потом, что на его стенках будет накапливаться грязь. Стёкла домов так же могли бы стать более совершенными, благодаря существованию такой технологии. Ведь она универсальна и по сути эффект лотоса можно применять на разных типах поверхностей, которые вполне возможно будут созданы из прочных или же эластичных материалов. [7]

Иллюминаторы космических кораблей стали защищены многослойными наноструктурными металлокерамическими покрытиями, которые были разработаны томскими учеными. Среди основных функций данных покрытий необходимо отметить защиту стекла от космической пыли и мусора. Такая информация была предоставлена заместителем главы Института физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН Виктором Сергеевым. Работа над покрытиями велась томскими учеными совместно со специалистами Томского политехнического университета и Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. Королева.

Самая масштабная область применения открытия – Большой национальный театр в Пекине. При строительстве этого здания была с успехом внедрена технология применения наночастиц с использованием «эффекта лотоса» в покрытии для стеклянного материала. [14]

В ходе изучения различных источников информации мы выяснили, что любая влага, попадающая на листья лотоса, тут же собирается в шарики и падает вниз, забирая с собой частички пыли и грязи. С изобретением электронного микроскопа секрет лотоса стал известен. Все дело – в микроскопических бугорках, которыми покрыты листья. А бугорки, в свою очередь, покрыты еще более мелкими «нановолосиками». Лишь в начале 1990-х Бартлотту удалось воспроизвести механизм, изобретенный природой, в лаборатории на искусственных поверхностях. В 1997 году он запатентовал метод и приобрел торговую марку Lotus-Effect® . В настоящее время на основе «эффекта лотоса» разработан ряд специальных материалов и изделий, обладающих самоочищающимися и другими уникальными свойствами. Все это свидетельствует о хороших перспективах применения нанотехнологий во многих сферах деятельности человека.

Практическая часть

Исследование гидрофобности некоторых растений

Задача: исследовать гидрофобность растений на примере кактуса, герани, сингониума

Необходимые материалы: листья кактуса, герани, сингониума, стакан с водой, пипетка, линейка, транспортир

Ход работы:

Капнуть на лист кактуса каплю воды, измерить диаметр с помощью линейки, сфотографировать каплю (вид сверху и сбоку)

Повторить п.1 для листьев герани, сингониума

Измерить с помощью транспортира краевые углы (по фотографиям)

Результаты занести в таблицу

Сделать вывод

Вывод: Среди исследуемых поверхностей растений только кактус имеет гидрофобную поверхность (краевой угол 110 градусов), но эффект лотоса на поверхности листа кактуса не наблюдается (должна быть супергидрофобная поверхность, краевой угол которой больше 150 градусов)

Исследование гидрофобности некоторых поверхностей

Задача: исследовать гидрофобность поверхностей на примере стеклянной, алюминиевой, деревянной, пластмассовой

Необходимые материалы: поверхности, стакан с водой, пипетка, линейка, транспортир

Ход работы:

Капнуть на стеклянную поверхность каплю воды, измерить диаметр с помощью линейки, сфотографировать каплю (вид сверху и сбоку)

Повторить п.1 для алюминиевой, деревянной, пластмассовой поверхностей

Измерить с помощью транспортира краевые углы (по фотографиям)

Результаты занести в таблицу

Сделать вывод

Вывод: Среди исследуемых поверхностей все поверхности гидрофильные. Возникает необходимость дополнительного покрытия для самоочистки.

Наблюдение за необработанными поверхности и поверхностями, обработанными специальными средствами

Задача: провести наблюдение за каплями, находящимися на необработанных поверхностях и поверхностях, обработанных специальными средствами

Необходимые материалы: поверхности, специальное средство для обработки ткани на основе наноструктур, специальное средство для обработки древесины на основе наноструктур, средство защиты от воды, стакан с водой, пипетка, линейка, транспортир

Ход работы:

Обработать часть ткани специальным средством для обработки ткани на основе наностуктур

На ткань налить воду с помощью пипетки, сфотографировать полученный результат наблюдения

Обработать часть древесины специальным средством для обработки древесины на основе наноструктур

Капнуть несколько капель на обработанную и необработанную части поверхности, сфотографировать полученный результат наблюдения

Лист бумаги условно разделить на три части: одну часть обработать средством для обработки древесины, другую - средством защиты от воды, третью – оставить необработанной.

Капнуть несколько капель на обработанные и необработанную части поверхности, сфотографировать полученный результат наблюдения

Провести опыт, аналогичный п.1,4, на поверхностях кожаной куртки и замшевых туфель.

Визуально оценить полученные эффекты

Сделать вывод

Вывод: после обработки специальными жидкостями поверхности становятся гидрофобными и супергидрофобными, то есть могут обладать «эффектом лотоса».

Таким образом, проведенные нами исследования различных поверхностей позволили выявить растения с гидрофобными и гидрофильными поверхностями, тела с гидрофильными поверхностями; работа с необработанными поверхностями и поверхностями, обработанными специальными средствами, - пронаблюдать явление «эффект лотоса».

Заключение

Удивительными свойствами листьев лотоса отталкивать капли воды восхищались поэты и ученые Востока тысячи лет назад. «Эффект лотоса» был открыт профессором биологии Вильгельмом Бартлоттом из Университета г. Бонна сравнительно недавно (в 90-е годы прошлого столетия). Это открытие вызвало и продолжает вызывать огромный интерес во всем мире.

Для защиты поверхностей от загрязнений используют покрытия с гидрофобными свойствами. Проведенные нами наблюдения и опыты показали, что тела, обладающие «эффектом лотоса» встречаются редко. Но поверхности после обработки специальными жидкостями становятся гидрофобными и супергидрофобными, то есть могут обладать «эффектом лотоса». Цель работы в рамках данного исследования достигнута.

Список используемых источников информации:

Балабанов Виктор Иванович. Нанотехнологии на основе "эффекта лотоса" в автомобильной промышленности. http://www.nanometer.ru/2009/05/09/effekt_lotosa_155233

Гидрофобы. http://disent.com.ua/gidrofoby

Еремин В.В., Дроздов А.А. Нанохимия и нанотехнологии. Учебное пособие / В.В.Еремин, А.А. Дроздов. –М.: Дрофа, 2009. – 109

Нанобокс. Руководство для учителя

Нанотехнологии на основе "эффекта лотоса" в автомобильной промышленности. http://www.nanometer.ru/2009/05/09/effekt_lotosa_155233.html

Некрасов С. Эффект лотоса http://delta-volga-lotos.ru/2010/03/13/effekt-lotosa

Петров Т.В. Использование эффекта лотоса в технике. Международный школьный научный вестник № 5, 2017

Погружение «Эффект лотоса». http://contest.schoolnano.ru/wp-content/uploads/medialib/Эффект-лотоса.pdf

Разумовская И.В. Нанотехнология. Учебное пособие / И.В.Разумовская. –М.: Дрофа, 2009. – 222

Электронный микроскоп. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электронный_микроскоп

Эффект лотоса. https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_лотоса

Эффект лотоса. https://www.youtube.com/watch?v=hUVgYTlHelI

Эффект лотоса в современных нанотехнологиях для авто. http://www.nanostore.com.ua/ephphekt-lotosa-v-sovremennyh-nanotehnologijah-dlja-avto-a-94.html

File:National grand theatre 2.jpg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:National_grand_theatre_2.jpg

Приложение 1

Приложение 2

Фотографии с результатами опытов