1、蓮花效應奈米生物科技第8組李靜旻 陽佳蓉 馬美娟翁宗敬 侯如瑜 李柏呈何謂奈米?1奈米到底是多大?蓮花效應?在大自然裡，我們注意到植物葉面常可保持潔淨而不被沾污，這種特性經多年來的探討發現，與葉面上具有奈米(100200nm)規則排列的粗糙結構表面和最外層蠟質低表面能疏水材料有關，奈米粗糙面是保護葉面不被污染的首要因素，即使被污染物附著於其上，也可輕易地以水沖刷帶走洗掉，達到自清潔效果(Self-Cleaning Effect)，此即所謂的蓮花效應(Lotus Effect)。許多植物表面，如蓮葉面具有超疏水(superhydrophobicity)及自潔(self-cleaning)的特性。
2、蓮葉表面的疏水、不吸水的表面始終葉面永遠保持一塵不染。蓮花效應因蓮葉具有疏水、不吸水的表面落在葉面上的雨水會因表面張力的作用形成水珠，即水與葉面的接觸角(contact angle)會大於140度，因此，只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。即使經過一場傾盆大雨，蓮葉的表面總是能保持乾燥；此外，滾動的水珠會順便把一些灰塵污泥的顆粒一起帶走，達到自我潔淨的效果，這就是蓮花總是能一塵不染。為什麼會有這種“蓮花效應”？l用傳統的用傳統的化學分子極性理論化學分子極性理論來解釋，不僅解釋不來解釋，不僅解釋不通，恰恰是相反。通，恰恰是相反。l從從機械學的粗糙度、光潔度機械學的粗糙度、光潔度角度來解釋也不行，
3、角度來解釋也不行，因為它的表面光潔度根本達不到機械學意義上的因為它的表面光潔度根本達不到機械學意義上的光潔度（粗糙度），用手觸摸就可以感到它的粗光潔度（粗糙度），用手觸摸就可以感到它的粗糙程度。糙程度。經過兩位德國科學家的長期觀察研究，即在經過兩位德國科學家的長期觀察研究，即在1990年代初終於揭開了荷葉葉面的奧妙。年代初終於揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常複雜的原來在荷葉葉面上存在著非常複雜的多重奈米和多重奈米和微米級的超微結構微米級的超微結構。蓮花效應的證實 世人對蓮葉的這些特性並不陌生，但真正有系統地研究與分析卻是最近幾年的事。1997年，德國波昂大學的植物學家Wilhe
4、lm Barthlott針對這個特殊現象進行了一系列的實驗，發現了上述蓮花的疏水性與自我潔淨的關係，因此創造了蓮花效應(Lotus effect)一詞，同時也擁有這個商標的專利權。從此以後，蓮花效應就成了奈米科技最具代表性的名詞。Prof.Dr.Wilhelm Barthlott荷葉葉片上的荷葉葉片上的多重奈米和微米級的超微結構多重奈米和微米級的超微結構在超高解析度電子顯微鏡下在超高解析度電子顯微鏡下可以清晰看到：可以清晰看到：l在荷葉葉面上佈滿著一個在荷葉葉面上佈滿著一個挨一個隆起的挨一個隆起的“小山包小山包”l在山包上面長滿在山包上面長滿絨毛絨毛l在在“山包山包”頂則又長出頂則又長出 一個
5、個饅頭狀的一個個饅頭狀的 “碉堡碉堡”凸頂凸頂。荷葉葉片上的荷葉葉片上的多重奈米和微米級的超微結構多重奈米和微米級的超微結構因此，在因此，在“山包山包”間的凹陷部份充滿著空氣，這樣就在緊貼間的凹陷部份充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，只有奈米級厚的空氣層。葉面上形成一層極薄，只有奈米級厚的空氣層。這就使得在尺寸上遠大於這種結構的灰塵、雨水等降落在這就使得在尺寸上遠大於這種結構的灰塵、雨水等降落在葉面上後，隔著一層極薄的空氣，只能同葉面上葉面上後，隔著一層極薄的空氣，只能同葉面上“山包山包”的凸頂形成幾個點接觸。的凸頂形成幾個點接觸。雨點在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸雨
6、點在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸附灰塵，並滾出葉面，這就是附灰塵，並滾出葉面，這就是 荷葉效應荷葉效應 能自潔葉面的奧能自潔葉面的奧妙所在。妙所在。高倍率電子顯微鏡下的觀察結果高倍率電子顯微鏡下的觀察結果 蓮葉的表面(cultiule)具有大小約 515 m細微突起的表皮細胞(epidermal cell)，表皮細胞上又覆蓋著一層直徑約1nm的蠟質結晶(wax crystal)。蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性。蠟質結晶細微結構蓮花效應 再加上葉片表面的細再加上葉片表面的細微結構之助，微結構之助，使水與葉面的接觸面使水與葉面的接觸面積更小而接觸角變大，積更小而接觸角變大，因此加
7、強了疏水性，因此加強了疏水性，J同時也降低污染顆粒同時也降低污染顆粒 對葉面的附著力。對葉面的附著力。蠟質結晶細微結構蓮花效應l 蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性所以當水與這類表面接觸時，會因表面張力而形所以當水與這類表面接觸時，會因表面張力而形成水珠，成水珠，l 再加上葉片表面的細微結構之助，再加上葉片表面的細微結構之助，使水與葉面的接觸面積更小而接觸角變大，使水與葉面的接觸面積更小而接觸角變大，因此加強了疏水性，因此加強了疏水性，J同時也降低污染顆粒同時也降低污染顆粒 對葉面的附著力對葉面的附著力 這種表面自清潔的特性不僅存在於蓮花葉面上，在動物皮膚或許多其
8、他植物葉子中亦都得到驗證，而開發仿造蓮葉具自清潔功能的疏水塗料、塗裝技術製程，乃蔚為風潮。蓮葉的微觀世界植物葉子表面之微結構表面較為平坦蓮葉的微觀世界植物葉子表面之微結構表面較為粗糙蓮葉的微觀世界 蓮花效應疏水自清潔性 由於蓮葉表面的微結構粗糙層能夠將空氣保留在突起物間的底部，使外在的污物或液體無法完全沾附於蓮葉上；被侷限在這奈米粗糙層中的空氣，其情形猶如在蓮葉表面形成一層氣墊(Air Cushion)，污物或液體是由空氣所支撐著；另外，盤交錯結的纖毛狀臘質，其結構亦有助於減少外來物與葉面間的接觸面積 表面粗糙結構 表面細微的奈米結構在自潔功能上扮演著關鍵的角色l以蓮葉為例，水珠與葉面接觸的面
9、積大約只佔總面積的23%，若將葉面傾斜，則水珠被迫以滾動方式運動。滾動時，會順便吸附起葉面上的污泥顆粒，一同滾出葉面J達到清潔的效果。表面細微的奈米結構在自潔功能上扮演著關鍵的角色l相形之下，在同樣具有疏水性的光滑表面水珠只會以滑動的方式移動並不會夾帶灰塵離開L因此不具有自潔的能力。A water droplet on the leaf of the Asiatic crop plant Colocasia esculenta absorbs particles of dirt as it rolls.In this picture taken by Barthlotts research t
10、eam,we can also see the papillae on the cuticula.These papillae about 5 to 10 m high are themselves coated by a fine nanostructure of wax crystals.除了蓮葉表面外，部份的植物與雁、鴨等動物亦有類似的自清潔機制。雁鴨的羽毛表面主要組成成份亦為油脂類，而羽毛的層狀微結構中又藏有空氣，所以雁鴨即使在水中也不會弄羽毛，不會造成其飛行時的阻力，在空中飛翔時更可藉此來降低與空氣間的摩擦力，使飛行時更省力。蝴蝶翅膀的微小構造皆有像蓮花般的粗糙結構，其粗糙度比較均勻
11、，經光照反射形成亮麗的顏色與奈米粗糙度有相當的關聯性蓮花自淨作用的特性l在葉面上倒幾滴膠水，膠水不會粘連在葉面上，而是滾落下去並且不留痕跡。l是一滴水珠與蓮花的葉面接觸，懸掛在微小的蠟晶體上。160 180 最原始的奈米塗料最原始的奈米塗料 原始的土著常以燃燒植物或木材後所得的碳灰，塗抹在臉上，藉以恐嚇敵人、驅除猛獸、或獵取動物。碳灰的顆粒大小，大約為奈米尺度，故能均勻塗抹，且奈米碳灰附著力強，故能持久不褪色，適合當染料。這算古人利用奈米科技謀求生存的例子之一，比現今任何化妝品公司的技術還早上千百年。蓮花效應的應用 功能性塗裝材料 ex:油漆 包括防水底片、防水噴霧劑；外衣、鞋子、車子的外殼、
12、反光鏡、安全帽鏡片、廚具、瓦斯爐等容易髒污的器具表面，甚至飛機的表面 蓮花效應在日常生活中的應用蓮花效應在日常生活中的應用l在自然界中，植物總是暴露在各種污染源當中，例如灰塵、污泥，還有一些有機的細菌、真菌等。蓮葉上複雜的奈米與微米級結構除了有自潔的功能外，還可以防止受到細菌、病源體的感染，只要經過一場大雨的洗禮，就能恢復煥然一新。l目前蓮花效應的概念主要是應用在防污防塵上，透過人工合成的方式，將特殊的化學成分加入塗料、建材、衣料內等等，使其具有某些程度的自潔功能，以實現拒水防塵的目的。生物科學與技術科學結合生物科學與技術科學結合仿生仿生 所謂仿生，顧名思義就是向生物學習、模仿或或取得啟示，仿
13、造各種生物的優點以用在人類科學技術的創造或改進。今年六月初，BBC新聞指出，英國曼徹斯特(Manchester)大學一群材料科學家研發出一種超強黏性的膠帶，任何人只要掌心貼上這種膠帶，便可如壁虎掛吊在天花板上。科學家發現，爬蟲類每隻爪佈滿了幾十億個毛髮狀分子結構，並藉由分子與周遭不平衡電流的相互吸引產生力量，讓壁虎能在壁上爬行自如。目前，科學家正努力進一步開發大量生產方式，並期望這種新膠帶與新技術可應用來處理電腦晶片，或用在醫學方面。壁虎膠帶 (Gecko Tape)壁虎膠帶 (Gecko Tape)其他仿生研究 美國MIT的海洋工程系（the Department of Ocean Engi
14、neering）教授 Michael S.Triantafyllou領導的研發團隊，則致力觀察與了解魚類魚鰭的功能，並希望找出改進潛艇與水中交通工具的推進原理。日前，該團隊在波士頓 Charles River 進行實驗首航的神奇企鵝號遊艇，主要也是模擬企鵝身上魚鰭般的兩片手臂，並裝置在遊艇船頭下方，結果經電腦監測再次證實，歷經幾百萬年的生物進化，魚類的魚鰭仍是世界最完美結構的天然推進器。英格蘭 Bath 大學機械工程系一研究小組，先從變色龍變色逃生的機制研究轉而專注於墨魚、烏賊、章魚等頭足動物的上皮皮膚研究，並發現其上皮層的黑色、黃色、咖啡色和紅色等皮膚色素的組織結構，能因應周遭環境不同光波而
15、變化。該研究小組目前正進一步研究如何藉由模擬墨魚的逃生機制，以應用於開發大量的軍事偽裝工具。人體內也有奈米科技人體內也有奈米科技 聖經記載上帝造人、造萬獸、或古老傳說女媧用泥土造人，都是將生命訊息儲存在奈米尺度的物質上，而這物質就是去氧核糖核酸(deoxyribonuncleic acid,DNA)生物界提供奈米技術研究者許多天然材料，科學研究模仿生物行為進行自我辨認(Self-rcognition)、自我修復(Self-replication)、自我結合組裝(self-assembling)等微小機器工程作業，對未來電子工業、自然科學、臨床醫療、基因治療、生物醫療傳輸、標的給藥、奈米微粒識別細菌等功能，都有相當程度之助益，對生物奈米科技而言將可預知其會帶來自然界之一大革新。THE END
