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 植物非光滑叶表面“莲叶效应” 的应用研究

王洁   （吉林大学）  

摘要：本文对植物非光滑叶表面“莲叶效应”现象、及其应用进行了综述与展望。

关键词：非光滑表面；“莲叶效应”；自清洁；仿生科学; 植物叶片

      在过去的二十几年里，Baker and Parsons，(1971)；Holloway and Baker，1974）；Barthlott and Ehler，(1977）；Jeffree，（1986）；Barthlott，（1990）通过电镜扫描研究证明植物表面展现出各式各样的表面结构，如毛状体、表皮褶皱和蜡质晶体，它们起不同的作用，一般提供防水表面[1]。1986年E.Jeffree 就植物表皮、上表皮蜡和毛状体及其结构、功能进行了分析和论述，将现代植物中的蜡形态分为薄膜形、管状、盘状等14种类型[2]。1990年和1993年Barthlott 先后对植物表面形态、结构，尤其是表皮蜡的形态、功能和结构进行了扫描电镜的观察分析 [3-5]。

   1998年Wilhelm Barthlott, Christoph Neinhuis, David Cutler, Friedrich Ditsch, Iris Meusel, Inge Theisen and

   Hiltrud Wilhelmi等就植物表皮蜡进行分类学研究，将蜡分成膜状、结晶状等6大类31小类。Haberlandt（1914）,Metcalfe 和Chalk（1950，1979）等尝试将毛状体分为星形、盾形等8种类型，并就蜡和毛状体的功能进行了分析说明[6]。

   1997年W.Barthlott and C.Neinhuis 就荷叶的自清洁——莲叶效应进行了研究，首次指出表面粗糙度、减少颗粒粘附和防水间的相互依赖关系是许多生物表面自清洁机理的拱心石[1,7]。

   科学家在对动植物表面研究中发现自然界中通过形成超疏水表面来达到自洁功能的现象更为普遍。最典型的是波恩大学Barthlott教授首次发现莲叶表面具有微型1微米的腊状毛刺，非光滑特征尺寸直径约d=5-15μm ，冠高h=1-20μm表面（如图1），它具有不沾水、不沾油脱附自清洁的功能。  后来称该作用为  “荷叶效应”  [1,2,4, 5, 9] （Lotus-effeet），据此人们又开发出不沾水、不沾油、抗污染的薄膜,这是一种超疏水表面，在家庭用品中有广泛的应用，如把它用于家庭花园桌椅贴面，可以使桌椅面任凭风吹雨打,仍然保持清洁一新。还可以将其用于太阳能板、交通标牌上都具有自清洁作用。自洁屋顶瓷瓦、自洁高墙玻璃、防水涂料等都有这种表面的应用。  

   最近上海申得欧有限公司(原迪诺瓦公司)在北京新世纪饭店召开新产品发布会,推出“荷花王''硅树脂外墙涂料[8]。该产品是根据“荷叶效应”的仿生学原理研制的。荷叶由于长期进化后,形成独特的憎水性,当雨水落在叶片上会形成无数水珠滚落,并带走所有浮尘和微生物孢子。该涂料具有四个特点:一是具有特殊的微结构;二是很好的透气性;三是两天内产生强憎水性;四是24天完全干透后,产生“荷叶效应”。涂刷后能保持墙面的长期干燥和美观。



       菊花瓣具有波纹沟槽的微结构，旱金莲花瓣具有头包非光滑结构（图2），均表现出明显的自清洁作用（图3，图4）正以此原理研究并开发出各类免擦自洁的毛玻璃【8】，这种自洁窗玻璃可在雨水的作用下，自我清洁，而不留下任何痕迹。玻璃上有一层薄的透明的疏水矿物材料，当与雨水接触时，水滴在这层玻璃表面自动伸展开来，起到洗刷的作用，自行蒸发，不留下任何痕迹，若加之均匀分布的波纹状、头包状的非光滑结构表面，其自清洁作用将会显著增加，据此开发的仿生产品将具有广阔的市场前景[10]。作为一种功能性表面在其他科技领域里也有广泛的应用。我们还可以根据叶表面气孔的非光滑微结构开发出各种自洁、透光性好、无液滴的仿生自洁农膜，若将其应用于设施农业生产中将会带来较大的经济效益和社会效益。

       “莲叶效应”具有广阔的应用前景及很高的商业价值，一些关键技术及原理都已申请专利，我们只有不断地深入研究，才能挖掘出其应用潜力。如在服装设计上运用莲叶效应的自清洁作用正处于研制中[11]；在纺织业上运用其进行拒水针织物的研制正处于探索中[12]。 这种自清洁表面还可以应用于卫星天线、雷达的保洁表面、潜艇水体的减阻材料以及石油化工领域内管壁修饰等具有非常高的应用价值[13-17]。

    近年来，微流技术（Microfluidics）发展非常迅速，目前一个突出的问题是微流体的控制与定位技术[18]。而器件的微型化使得管道的的表面性质（尤其是湿润性能），对流体的的流动起着重要的作用。将超疏水表面应用于微流体控制机制中无疑会促进微流技术的发展。在生物领域超疏水表面也有巨大应用潜力[19]。如：可用于控制含又相关分子（DNA和蛋白质）液滴污染最小化，制备以测定点位技术分析互补DNA微排列结构所需要的特殊湿润性的基底，以及解决生物中较头痛的小液滴的“圈饼效应”和“咖啡效应”等问题[20]。

     生物表面在进化过程中被优化的结果是人类研究不断突破创新的不可缺少的参考原 型和良师益友，人们从生物表面的研究分析中不断汲取经验，改进和完善现有的设备器械，创造更新更好的机械设备等。人们对生物表面的研究越来越细致、深入，对生物表面的仿生研究应用前景非常乐观， 并且已经逐步深入到各个领域，具有较高的应用研究价值与应用潜力。

     生物非光滑形态学及其在仿生工程方面的研究主要还可以在以下几个方面进行突破。

      发现新形态：通过对动、植物、昆虫体表非光滑形态的宏观与微观观察分析，通过特征描述，找出非光滑表面的特征参量。通过对已有典型的非光滑形态的分类，进一步寻找新的特征综合类型。

   探索新功能、研究新理论：生物非光滑表面具有减阻、脱附、耐磨、自清洁等功能，我们仍需进一步挖掘其新功能如降噪、消声、隐形等，并进一步探讨其自适应、自调解、自组装的仿生功能机制，为生物自生长成型仿生机械、超前反馈仿生、微机械设计提供理论依据[21，22]。

    开发新产品、拓宽应用领域：生物非光滑在机械制造业、环保业、轻化工业、农业工程、军事及航天、航空制造业的设计上已得到广泛的应用，不能满足于仿生物非光滑已开发出的新产品（已有授权发明专利近100项），如非光滑机械（仿生犁壁、仿生推土铲、仿生自卸车）、仿生饭铲、仿生薄膜等，还应不断深入开发出更多的非光滑仿生新产品。为了拓宽其应用范围还需我们不懈地努力工作与探索。

参考文献

[1] W.Barthlott,C．Neinhuis． Purity of the sacred lotus，or escape from     contamination in biological surfaces．Planta， 1997， 202： 1-8．

[2] Christopher E．Jeffree．The cuticle，epicuticular waxs and  tricheomes of plants，with reference to their structure 

functions and evolution． In：Juniper B E， Southwood S R（ eds） Insects and the plant surface． Edward Arnold，London，1986  pp23-63．

[3] Barthlott W．Scanning  electron  microscopy  of  the epidermal surface in plants．In：Claugher D(ed) Scanning electron  microscopy in taxonomy and    functional  morphology．Clarendon Press，Oxford， 1990， pp69-94．

[3] Barthiott  W．Scanning  electron  microscopy  of  the  epicuticular waxs．In：cutler DF，Alvin KL，Price CE(eds) The plant cuticle Academic press ，London ，1990 ，pp139-166．

[4] Barthlott W．Epicuticular Wax  ultrastrure ，and  systematics．In：Behnke HD，Mabry TJ(eds) Evolution and  systematics of the Caryopnyllales，springer，Berlin，1993，pp75-86．

[5] Wilhelm Barthlott， Christoph Neinhuis， David Cutler， Friedrich Ditsch， Iris Meusel， Inge Theisen and Hiltrud Wilhelmi．Classification  and  terminology of  plant epicuticular waxes． Botanical journal of linnean society， 1998，126：237-260．