Lotus etkisi - Lotus effect

Lotus yaprağının yüzeyindeki su.
Su damlacıkları Taro lotus efektli yaprak (üstte) ve taro yaprağı yüzeyi büyütülmüş (0–1 bir milimetre bir dizi küçük çıkıntıyı (altta) gösteren.
Lotus yaprağı yüzeyinin bilgisayar grafiği.
Lotus yüzeyinde yaklaşık 147 ° temas açılarını gösteren bir su damlası.

nilüfer etkisi bir sonucu olan kendi kendini temizleme özelliklerini ifade eder ultrahidrofobiklik yapraklarının sergilediği gibi Nelumbo veya "lotus çiçeği".[1] Yüzeydeki mikro ve nanoskopik mimari sayesinde kir partikülleri su damlacıkları tarafından toplanır ve bu da damlanın o yüzeye yapışmasını en aza indirir. Ultrahidrofobiklik ve kendi kendini temizleme özellikleri de diğer bitkilerde bulunur. Tropaeolum (nasturtium), Opuntia (dikenli incir), Alchemilla, baston ve ayrıca bazı böceklerin kanatlarında.[2]

Ultrahidrofobiklik fenomeni ilk olarak 1964'te Dettre ve Johnson tarafından incelenmiştir.[3] pürüzlü hidrofobik yüzeyler kullanarak. Çalışmaları, parafin ile kaplanmış cam boncuklarla yapılan deneylere dayanan teorik bir model geliştirdi. PTFE telomer. Ultrahidrofobik mikronun kendi kendini temizleme özelliğinano yapılı yüzeyler tarafından incelendi Wilhelm Barthlott ve 1977'de Ehler,[4] bu tür kendi kendini temizleme ve ultrahidrofobik özellikleri ilk kez "lotus etkisi" olarak tanımlayan; perfloroalkil ve perfloropolieter ultrahidrofobik materyaller 1986 yılında Brown tarafından kimyasal ve biyolojik sıvıların işlenmesi için geliştirilmiştir.[5] Diğer biyoteknik uygulamalar 1990'lardan beri ortaya çıkmıştır.[6][7][8][9][10][11]

İşlevsel prensip

Suyun yüksek yüzey gerilimi, bir kürenin minimum yüzey alanına sahip olması nedeniyle damlacıkların neredeyse küresel bir şekil almasına neden olur ve bu şekil bu nedenle katı-sıvı yüzey enerjisini en aza indirir. Sıvının bir yüzeyle temas etmesi durumunda, yapışma kuvvetleri ıslatma yüzeyin. Yüzeyin yapısına ve damlacığın sıvı gerilimine bağlı olarak, tam veya eksik ıslanma meydana gelebilir.[12]Kendi kendini temizleme özelliklerinin sebebi, yüzeyin hidrofobik su itici çift yapısıdır.[13] Bu, temas alanının ve yüzey ile damlacık arasındaki yapışma kuvvetinin önemli ölçüde azaltılmasını sağlayarak kendi kendini temizleme sürecini sağlar.[14][15][16]Bu hiyerarşik çift yapı, karakteristik bir epidermisten (üst tabakası kütikül olarak adlandırılır) ve kaplama mumlarından oluşur. Lotus bitkisinin epidermisi, epikutiküler mumların uygulandığı 10 μm ila 20 μm yüksekliğinde ve 10 μm ila 15 μm genişliğinde papillaya sahiptir. Bu üst üste binen mumlar hidrofobiktir ve ikili yapının ikinci katmanını oluşturur. Bu sistem yenileniyor. Bu biyokimyasal özellik, yüzeyin su iticiliğinin işleyişinden sorumludur.

Bir yüzeyin hidrofobikliği, bununla ölçülebilir. temas açısı. Temas açısı ne kadar yüksekse, bir yüzeyin hidrofobikliği o kadar yüksek olur. Temas açısı <90 ° olan yüzeyler hidrofilik ve> 90 ° açıya sahip yüzeyler hidrofobik olarak adlandırılır. Bazı bitkiler 160 ° 'ye kadar temas açıları gösterir ve ultrahidrofobik olarak adlandırılır, yani bir damlacık yüzeyinin (tipik boyutta) yalnızca% 2-3'ü temas halindedir. Lotus gibi çift yapılı bir yüzeye sahip bitkiler 170 ° 'lik bir temas açısına ulaşabilir, bu sayede damlacıkların temas alanı sadece% 0,6'dır. Bütün bunlar kendi kendini temizleme etkisine yol açar.

Son derece azaltılmış temas alanına sahip kir parçacıkları su damlacıkları tarafından alınır ve böylece yüzeyden kolayca temizlenir. Bir su damlacığı böyle kirli bir yüzey boyunca yuvarlanırsa, kimyasına bakılmaksızın kir parçacığı ile damlacık arasındaki yapışma parçacık ile yüzey arasındakinden daha yüksektir. Bu temizleme etkisi, süperhidrofobik bir yüzey üretildiğinde paslanmaz çelik gibi yaygın malzemeler üzerinde gösterilmiştir.[17] Bu kendi kendini temizleme etkisi, suyun yüksek yüzey gerilimine dayandığından organik çözücülerle çalışmaz. Bu nedenle, bir yüzeyin hidrofobikliği grafitilere karşı koruma sağlamaz.

Bu etki bitkiler için koruma olarak büyük önem taşımaktadır. patojenler sevmek mantarlar veya yosun büyüme ve ayrıca hayvanlar için kelebekler, yusufçuklar ve diğer böcekler tüm vücut parçalarını temizleyemiyor. Kendi kendini temizlemenin bir diğer olumlu etkisi, ışığa maruz kalan bitki yüzeyinin kirlenmesinin önlenmesiyle sonuçlanan fotosentezin azalmasıdır.

Teknik uygulama

Ultrahidrofobik yüzeylerin kendi kendini temizleme özelliklerinin yaprak yüzeyinin spesifik kimyasal özelliklerinden ziyade mikroskobik ve nanoskopik ölçekte fiziksel-kimyasal özelliklerden geldiği keşfedildiğinde,[18][19][20] bu etkiyi insan yapımı yüzeylerde, doğayı spesifik değil genel bir şekilde taklit ederek kullanma imkanı doğdu.

Biraz nanoteknologlar lotus bitkisi gibi bitkilerin kendi kendini temizleme özelliklerini teknik bir şekilde kopyalayarak kuru kalabilen ve kendilerini temizleyebilen işlemler, kaplamalar, boyalar, kiremitler, kumaşlar ve diğer yüzeyler geliştirmiştir. Bu genellikle yapılandırılmış yüzeyler üzerinde özel florokimyasal veya silikon muameleleri kullanılarak veya mikro ölçekli partiküller içeren bileşimlerle elde edilebilir.

Zamanla çıkarılabilen kimyasal yüzey işlemlerine ek olarak, lotus etkisi yaratmak için metaller femtosaniye puls lazerlerle şekillendirildi.[21] Malzemeler herhangi bir açıda eşit olarak siyahtır ve kendi kendini temizleme özellikleriyle birleştirildiğinde, çok az bakım gerektiren güneş termal enerji toplayıcıları üretebilirken, metallerin yüksek dayanıklılığı, hastalık bulaşmasını azaltmak için kendi kendini temizleyen tuvaletlerde kullanılabilir.[22]

Bir işbirliği ortağı (Ferro GmbH) tarafından geliştirilen Alman otobanlar üzerindeki trafik kontrol birimlerinin sensörlerine takılan kendi kendini temizleyen camlar gibi başka uygulamalar da pazarlandı.[kaynak belirtilmeli ] İsviçre şirketleri HeiQ ve Schoeller Textil marka adları altında leke tutmaz tekstiller geliştirdik "HeiQ Eko Kuru " ve "nanosfer "Ekim 2005'te, Hohenstein Araştırma Enstitüsü'nün testleri, NanoSphere teknolojisi ile işlenen giysilerin domates sosu, kahve ve kırmızı şarabın birkaç yıkamadan sonra bile kolayca yıkanmasına izin verdiğini gösterdi. Diğer bir olası uygulama bu nedenle kendi kendini temizleyen tentelerdir, Aksi takdirde hızla kirlenen ve temizlenmesi zor olan brandalar ve yelkenler.

Mikrodalga antenlere uygulanan süperhidrofobik kaplamalar önemli ölçüde azaltabilir yağmur soldu ve buz ve kar birikmesi. Reklamlardaki "temizlenmesi kolay" ürünler, genellikle hidrofobik veya ultrahidrofobik yüzeylerin kendi kendini temizleme özellikleri adıyla karıştırılır.[açıklama gerekli ] Desenli ultrahidrofobik yüzeyler ayrıca "çip üzerinde laboratuvar" mikroakışkan cihazlar için umut vaat ediyor ve yüzey bazlı biyoanalizi büyük ölçüde geliştirebilir.[23]

Süperhidrofobik veya hidrofobik özellikler, çiy hasadında veya sulamada kullanılmak üzere suyun bir havzaya aktarılmasında kullanılmıştır. Groasis Waterboxx büyüyen bir bitkinin köklerine salınması için yoğunlaşmayı ve yağmur suyunu bir havzaya aktaran ultrahidrofobik özelliklere dayanan mikroskobik piramidal yapıya sahip bir kapağa sahiptir.[24]

Araştırma geçmişi

Lotusun kendi kendini temizleme fenomeni muhtemelen Asya'da çok önceden bilinmesine rağmen (lotus etkisine atıf, Bhagavad Gita,[25]) mekanizması, ancak 1970'lerin başlarında, taramalı elektron mikroskobu.[4][16] Yaprakları ile çalışmalar yapıldı Tropaeolum ve nilüfer (Nelumbo).[6] "The Lotus Effect", STO SE & CO. KGAA'nın (ABD Kayıt No. 2613850) tescilli ticari markasıdır. Lotus etkisine benzer şekilde, son zamanlarda yapılan bir çalışma, taro yaprağı üzerinde, yaprağın süperhidrofobik olmasını sağlayan petek benzeri mikro yapılar ortaya çıkardı. Bu çalışmada bu yaprak üzerinde ölçülen temas açısı 148 derece civarındadır. [26]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Lafuma, A .; Quere, D. (2003). "Süperhidrofobik durumlar". Doğa Malzemeleri. 2 (7): 457–460. Bibcode:2003NatMa ... 2..457L. doi:10.1038 / nmat924. PMID  12819775. S2CID  19652818.
  2. ^ Darmanin, Thierry; Guittard, Frédéric (1 Haziran 2015). "Doğada süperhidrofobik ve süperoleofobik özellikler". Günümüz Malzemeleri. 18 (5): 273–285. doi:10.1016 / j.mattod.2015.01.001.
  3. ^ Rulon E. JohnsonJr .; Robert H. Dettre (1964). "Temas Açısı Histerezisi. III. İdealleştirilmiş Heterojen Yüzey Çalışması". J. Phys. Chem. 68 (7): 1744–1750. doi:10.1021 / j100789a012.
  4. ^ a b Barthlott, Wilhelm; Ehler, N. (1977). "Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten". Tropische und Subtropische Pflanzenwelt. 19: 110.
  5. ^ Kahverengi Hidrofobik kaplamalı ve aynı imalat işlemine sahip laboratuvar kabı ABD Patenti 5,853,894 , 29 Aralık 1998 tarihinde yayınlandı
  6. ^ a b Barthlott, Wilhelm; C. Neinhuis (1997). "Kutsal nilüferin saflığı veya biyolojik yüzeylerdeki kirlilikten kaçış". Planta. 202: 1–8. doi:10.1007 / s004250050096. S2CID  37872229.
  7. ^ Barthlott, W., Mail, M., Bhushan, B. ve K. Koch. (2017). Bitki Yüzeyleri: Biyomimetik Yenilikler için Yapılar ve Fonksiyonlar. Nano-Mikro Harfler, 9(23), doi: 10.1007 / s40820-016-0125-1.
  8. ^ Cheng, Y. T .; Rodak, D. E. (2005). "Lotus yaprağı süperhidrofobik midir?" Appl. Phys. Lett. 86 (14): 144101. Bibcode:2005ApPhL..86n4101C. doi:10.1063/1.1895487.
  9. ^ Narhe, R. D .; Beysens, D.A. (2006). "Süper hidrofobik sivri uçlu yüzeyde su yoğunlaşması". Europhys. Lett. 75 (1): 98–104. Bibcode:2006EL ..... 75 ... 98N. doi:10.1209 / epl / i2006-10069-9.
  10. ^ Lai, S.C.S. "Doğayı taklit etmek: Lotus etkisinin fiziksel temeli ve yapay sentezi" (PDF). Arşivlenen orijinal (PDF) 2007-09-30 tarihinde.
  11. ^ Koch, K .; Bhushan, B .; Barthlott, W. (2008). "Bitki Yüzeylerinin Yapı Çeşitliliği, Morfolojisi ve Islanması. Yumuşak Madde". Yumuşak Madde. 4 (10): 1943. Bibcode:2008SMat .... 4.1943K. doi:10.1039 / b804854a.
  12. ^ von Baeyer; H. C. (2000). "Lotus Etkisi". Bilimler. 40: 12–15. doi:10.1002 / j.2326-1951.2000.tb03461.x.
  13. ^ Neinhuis, C .; Barthlott, W. (1997). "Su itici, kendi kendini temizleyen bitki yüzeylerinin karakterizasyonu ve dağıtımı". Botanik Yıllıkları. 79 (6): 667–677. doi:10.1006 / anbo.1997.0400.
  14. ^ Barthlott, Wilhelm; Neinhuis, C. (2001). "Lotus etkisi: kendi kendini temizleyen yüzeyler için doğanın modeli". Uluslararası Tekstil Bülteni. 1: 8–12.
  15. ^ Forbes, P. (2005). Gecko'nun Ayağı, Biyo-ilham - Doğadan Yeni Malzemeler ve Cihazlar Tasarlamak. Londra: Dördüncü Emlak. s. 272. ISBN  978-0-00-717990-9.
  16. ^ a b Forbes, P. (2008). "Kendi Kendini Temizleyen Malzemeler". Bilimsel amerikalı. 299 (2): 67–75. Bibcode:2008SciAm.299b..88F. doi:10.1038 / bilimselamerican0808-88. PMID  18666684.
  17. ^ Serles, Peter; Nikumb, Suwas; Bordatchev, Evgueni (2018-06-15). "Pikosaniye lazer tekstüre ile süperhidrofobik ve süperhidrofilik işlevselleştirilmiş yüzeyler". Lazer Uygulamaları Dergisi. 30 (3): 032505. Bibcode:2018JLasA..30c2505S. doi:10.2351/1.5040641. ISSN  1042-346X.
  18. ^ Solga, A .; Cerman, Z .; Striffler, B. F .; Spaeth, M .; Barthlott, W. (2007). "Temiz kalma hayali: Lotus ve biyomimetik yüzeyler". Biyoilham ve Biyomimetik. 2 (4): S126 – S134. Bibcode:2007BiBi .... 2..126S. CiteSeerX  10.1.1.477.693. doi:10.1088 / 1748-3182 / 2/4 / S02. PMID  18037722.
  19. ^ Mueller, T. (Nisan 2008). "Biyomimetik, Doğaya Göre Tasarım". National Geographic Dergisi: 68.
  20. ^ Guo, Z .; Zhou, F .; Hao, J .; Liu, W. (2005). "Kararlı Biyomimetik Süper Hidrofobik Mühendislik Malzemeleri". J. Am. Chem. Soc. 127 (45): 15670–15671. doi:10.1021 / ja0547836. PMID  16277486.
  21. ^ Vorobyev, A. Y .; Guo Chunlei (2015). "Femtosaniye lazer darbeleri ile üretilen çok işlevli yüzeyler". Uygulamalı Fizik Dergisi. 117 (3): 033103. Bibcode:2015JAP ... 117c3103V. doi:10.1063/1.4905616.
  22. ^ Borghino, Dario (21 Ocak 2015). "Lazerler su itici, ışığı emen, kendi kendini temizleyen metaller oluşturmaya yardımcı olur". gizmag.com.
  23. ^ Ressine, A .; Marko-Varga, G .; Laurell, T. (2007). Gelişmiş biyoanalitik okuma için gözenekli silikon protein mikroarray teknolojisi ve ultra / süperhidrofobik durumlar. Biyoteknoloji Yıllık İncelemesi. 13. s. 149–200. doi:10.1016 / S1387-2656 (07) 13007-6. ISBN  978-0-444-53032-5. PMID  17875477.
  24. ^ "Farklı yoğunlaştırma biçimleri - Teknoloji".
  25. ^ Bhagavad Gita 5.10 Arşivlendi 2012-09-10 de Wayback Makinesi
  26. ^ Kumar, Manish; Bhardwaj (2020). "Colocasia esculenta (Taro) yaprağının ıslatma özellikleri ve bunun biyo-esinlenmiş bir yüzeyi". Bilimsel Raporlar. 10 (1): 935. Bibcode:2020NatSR..10..935K. doi:10.1038 / s41598-020-57410-2. PMC  6976613. PMID  31969578.

Dış bağlantılar