Efecte lotus

De Viquipèdia
Salta a la navegació Salta a la cerca
L'aigua en la superfície d'una fulla de lotus.
Gotetes de l'aigua sobre la fulla de taro amb efecte lotus (superior), i la superfície de la fulla de taro augmentat (de 0 a 1 és un gràfic de l'augment), amb una sèrie de petites protuberàncies (inferior).
Gràfic ordinador de la superfície d'una fulla de lotus.
Una gota d'aigua sobre una superfície de lotus que mostra l'angle de contacte d'aproximadament 147°.

L' efecte lotus es refereix a les propietats d'auto-neteja que són el resultat de una molt alta repel·lència a l'aigua (ultrahidrofobicitat), exposat per les fulles de la flor de lotus.[1] La partícules de terra de són recollides per gotetes d'aigua a causa de l'arquitectura micro i nanoscòpica de la superfície, que minimitza l'adhesió de les gotetes a la superfície. Propietats auto-netejadores es troben també a altres plantes, com: Tropaeolum (caputxina), Opuntia, Alchemilla, canya, i també sobre les ales d'alguns insectes.[2]

El fenomen de la super-hidrofobicitat va ser estudiat per primera vegada per Dettre i Johnson el 1964 en superfícies hidrofòbiques de cereals.[3] El seu treball desenvolupat un model teòric basat en els experiments amb perles de vidre recobert amb telòmer parafina o PTFE. Les propietats d'autoneteja de les superfícies nano-estructurades micro super-hidròfobes han estat estudiades pels botànics alemanys Barthlott i Ehler el 1977, que descriu les propietats super-hidròfobes com auto-netejadores i descrit per primera vegada «l'efecte d'una flor de lotus». Alguns materials super-hidròfobs, com la per-fluoro-alquil i la per-fluoro-polièter, van ser desenvolupats per Brown el 1986 per a la manipulació de líquids químics i biològics.[4] Altres aplicacions bio-tecnológiques han sorgit des de la dècada de 1990.[5][6][7][8][9]

Principi de funcionament[modifica]

A causa de la seva alta tensió superficial, gotetes d'aigua tendeixen a minimitzar la seva superfície per intentar aconseguir una forma esfèrica. En contacte amb una superfície, les forces d'adhesió a resultat humectants de la superfície. Qualsevol mullant completa o incompleta, es poden produir en funció de l'estructura de la superfície i la tensió del fluid de goteta.[10] La causa de les propietats auto-netejadores és el repel·lent a l'aigua de la doble estructura hidròfoba de la superfície.[11] Això permet que la zona de contacte i la força d'adhesió entre la superfície i les gotes es redueixen significativament resultant en un procés d'auto-neteja.[12][13][14] Aquesta doble estructura jeràrquica es va formar a partir de la funció d'epidermis funció de la capa exterior anomenada cutícula i ceres que la cobreixen. L'epidermis de la planta de lotus posseeix papillae amb 10 a 20 micres en alçada i de 10 a 15 micres d'ample en la que si imposar l'anomenada ceres epicuticulars. Aquestes ceres superposades són hidròfobes i la forma de la segona capa de la doble estructura.

La hidrofobicitat d'una superfície es pot mesurar pel seu angle de contacte. La major és l'angle de contacte més hidrofobicitat una superfície. Les superfícies amb un angle de contacte <90 ° es coneix com a hidrófil i aquells amb un angle> 90 °, com hidrofòbiques. Algunes plantes mostrar els angles de contacte fins a 160 ° i s'anomenen significat super-hidrofòbiques que només 2-3% de la superfície de la gota (de mida típica) està en contacte. Les plantes amb un doble estructurat com el lotus poden arribar a un angle de contacte de 170 °, de manera que la zona de contacte de la gota és només un 0,6%. Tot això ens porta a un efecte d'autoneteja.

Les partícules de brutícia amb un contacte zona molt reduïda, són recollides per les gotetes d'aigua i, per tant, de fàcil neteja de la superfície. Sí un goteta d'aigua a través dels gravats d'una superfície tan contaminat l'adhesió entre les partícules de brutícia, independentment de la seva composició química, i la caiguda és més gran que entre la partícula i la superfície. Aquest efecte d'auto-neteja es basa en el fet que l'alta tensió superficial de l'aigua no permet treballar amb dissolvents orgànics. Per tant, la hidrofobicitat d'una superfície no és una protecció contra els grafitis.

Aquest efecte és d'una gran importància per a les plantes com a protecció contra el creixement de patògens, com ara fongs o algues, i també contra animals, com les papallones, libèl·lules i altres insectes. Un altre efecte positiu de l'autoneteja és la prevenció de la contaminació de l'àrea de la superfície de la planta exposada a la llum dels resultats en la reducció de la fotosíntesi.

Aplicació tècnica[modifica]

Quan es va descobrir que les qualitats d'autoneteja de les superfícies super-hidròfobes l'escala nanoscòpica de les propietats físic-químiques en el microscopi, en lloc de partir de les propietats químiques específiques de la superfície de la làmina, la troballa obre la possibilitat d'utilitzar aquest efecte a les superfícies artificials, a través de la imitació de la naturalesa d'una manera general en un lloc específic.[15][16][17]

Alguns nanotecnólegs han desenvolupat tractaments, recobriments, tintes, teles, teixits i altres superfícies que poden estar seques i netes en replicar artificialment l'efecte lotus amb tractaments químics fluorats o silicones especials en les superfícies estructurat o amb composicions que contenen partícules micro-escala. La recobriments super-hidròfobs que comprenen micropartícules de tefló es van utilitzar en les diapositives de la diagnosi mèdica durant més de 30 anys. És possible arribar a aquests efectes a través de l'ús de combinacions de polietilenglicol amb la glucosa i sacarosa (o qualsevol de les partícules insolubles) en conjunció amb una substància hidròfoba.

En tractaments superficials químics addicionals, que poden ser, amb el temps, els metalls van ser tallades amb làser d'impulsos femto-segons per produir l'efecte de lotus.[18] Els materials són de color negre d'un color uniforme en qualsevol angle, que, combinades amb les propietats de auto-netejadores podria produir contenidors d'energia solar tèrmica de molt baix manteniment, mentre que la durabilitat dels metalls pot servir per latrines auto-netejadores per reduir la transmissió de malalties.[19]

Van ser comercialitzat en altres aplicacions, com ara els cristalls d'autoneteja instal·lats en els sensors de les unitats de control de trànsit a les autopistes alemanyes desenvolupats per un soci de cooperació de la companyia Ferro GmbH.[20] Evonik AG ha desenvolupat un esprai per a la generació de pel·lícules per a auto-neteja en diferents substrats. Recobriments super-hidròfobs aplicada a les antenes de microones pot reduir significativament la esfumat de pluja i l'acumulació de gel i neu. Els productes de neteja fàcil neteja als anuncis sovint confonen en el nom de les propietats d'auto-neteja de superfícies hidrofòbiques o super-hidròfobes. Les superfícies tractades com super-hidròfobes també podrien millorar els aparells per a assaigs de laboratori de micro-fluids i poden millorar notablement la bio-anàlisi basada en la superfície.[21]

Les propietats superhidròfobes van ser utilitzades en la recollida de rosada, o la canalització d'aigua de la conca per utilitzar-les en el reg. La Groasis Waterboxx ha una tapa amb una estructura piramidal microscòpica, basat en les propietats super-hidròfobes que canalitzaven la condensació i l'aigua de pluja en un recipient per a l'alliberament de les arrels d'una planta cultivada.

Història de la investigació[modifica]

Encara que el fenomen d'autoneteja de la lotus va ser, possiblement, coneguda a l'Àsia molt abans (en referència a l'efecte del lotus es troba en el poema Bhagavad Gita[22]) el mecanisme no es va explicar fins a la dècada de 1970, després de la introducció de la microscòpia electrònica d'escaneig.[23][14]Els estudis es van realitzar amb fulles de Tropaeolum i lotus (Native).[5] «Lotus Efect» és una marca registrada de Sto AG (US Registration Nos. 3561156 i 2613850).

Vegeu també[modifica]

Referències[modifica]

  1. Lafuma, A.; Quere, D. «Superhydrophobic states». Nature Materials, 2, 7, 2003, pàg. 457–460. Bibcode: 2003NatMa...2..457L. DOI: 10.1038/nmat924. PMID: 12819775.
  2. asknature.org/strategy/f7044d096233ab3467a75d1337fd52ad#.VQVcP9KG-So
  3. [pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ba-1964-0043.ch008 pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ba-1964-0043.ch008]
  4. Brown Laboratory vessel having hydrophobic coating and process for manufacturing same Efecte lotus a l'USPTO (anglès), Issued December 29, 1998
  5. 5,0 5,1 C. Neinhuis.
  6. Cheng, Y. T., Rodak, D. E. «Is the lotus leaf superhydrophobic?». Appl. Phys. Lett., 86, 14, 2005, pàg. 144101. Bibcode: 2005ApPhL..86n4101C. DOI: 10.1063/1.1895487.
  7. Narhe, R. D., Beysens, D. A. «Water condensation on a super-hydrophobic spike surface». Europhys. Lett., 75, 1, 2006, pàg. 98–104. Bibcode: 2006EL.....75...98N. DOI: 10.1209/epl/i2006-10069-9.
  8. Lai, S.C.S. «Mimicking nature: Physical basis and artificial synthesis of the Lotus effect».
  9. Koch, K.; Bhushan, B. & Barthlott, W. «Diversity of structure, Morphology and Wetting of Plant Surfaces. Soft matter». Soft Matter, 4, 10, 2008, pàg. 1943. Bibcode: 2008SMat....4.1943K. DOI: 10.1039/b804854a.
  10. von Baeyer, H. C. "The Lotus Effect". doi:10.1002/j.2326-1951.2000.tb03461.x. 
  11. Neinhuis, C.; Barthlott, W. "Characterization and distribution of water-repellent, self-cleaning plant surfaces" (6). doi:10.1006/anbo.1997.0400. 
  12. Neinhuis, C. "The lotus-effect: nature's model for self cleaning surfaces". 
  13. The Gecko's Foot, Bio-inspiration – Engineering New Materials and devices from Nature. Fourth Estate. 
  14. 14,0 14,1 Forbes, P. "Self-Cleaning Materials" (2). 
  15. Solga, A. "The dream of staying clean: Lotus and biomimetic surfaces". 
  16. Mueller, T. "Biomimetics, Design by Nature". 
  17. Guo, Z.; Zhou, F.; Hao, J.; Liu, W. "Stable Biomimetic Super-Hydrophobic Engineering Materials" (45). doi:10.1021/ja0547836.
  18. "Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses" (3). doi:10.1063/1.4905616. 
  19. «LAsers help create water-repelling, light-absorbing, self-cleaning metals».
  20. [biomimetic.pbworks.com
  21. Ressine, A.; Marko-Varga, G.; Laurell, T. "Porous silicon protein microarray technology and ultra-/superhydrophobic states for improved bioanalytical readout".
  22. Bhagavad Gita 5.10
  23. Ehler, N. "Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten".

Bibliografia[modifica]

  • Barthlott, W. & Ehler, N. (1977): Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten. Trop. subtrop. Pflanzenwelt 19, Akad. Wiss. Lit. Mainz. F. Steiner Verlag, Stuttgart, 110
  • Barthlott, W. (1990): Scanning electron microscopy of the epidermal surface in plants. In: Claugher, D. (ed.) Application of the scanning EM in taxonomy and functional morphology. Systematics Association's Special Volume. Clarendon Press, Oxford, 69-94
  • Barthlott, W. & Neinhuis, C. (1997): Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta 202, 1-8
  • Cerman, Z., Stosch, A. K. & Barthlott, W. (2004): Der Lotus-Effekt®. Selbstreinigende Oberflächen und ihre Übertragung in die Technik. Biologie in unserer Zeit 5: 290-296
  • Forbes, P. (2005): The Gecko’s Foot, Bio-inspiration – Engineering New Materials and devices from Nature. Fourth Estate, London, 272 p
  • Forbes, P. (2008): Self-Cleaning Materials. Scientific American, Vol. 299 No. 2, 67-75
  • Guillot, A., Meyer, J.-A. (2008): La bionique - Quand la science imite la Nature, Dunod, Paris (ISBN 978-2-10-050635-4)
  • Herminghaus, S. (2000): Roughness-induced non-wetting. Europhysics Letters 52, 165-170
  • Koch, K., Bhushan, B. & Barthlott, W. (2008): Diversity of structure, Morphology and Wetting of Plant Surfaces. Soft matter, in press
  • Lafuma, A. & Quéré, D. (2003): Superhydrophobic states. Nature Materials 2, 457-460
  • Neinhuis, C. & Barthlott, W. (1997): Characterization and distribution of water-repellent, self-cleaning plant surfaces. Annals of Botany. 79, 667-677
  • Reyssat, M., Quéré, D. (2006): L'effet lotus. Pour la science, septembre 2006, 34-40
  • Solga, A., Cerman, Z., Striffler, B. F., Spaeth, M. & Barthlott, W. (2007): The dream of staying clean: Lotus and biomimetic surfaces. Bioinspiration & Biomimetics 2, 1-9
  • von Baeyer, H. C. (2000): The Lotus Effect. The Sciences, 12-15

Enllaços externs[modifica]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Efecte lotus