2.93. Эффект лотоса

Сбрызнув водой листья лотоса, вы увидите, что капельки воды тут же превращаются в похожие на бусинки шарики, которые скатываются с листьев. По пути они захватывают грязь и пылинки, очищая лист. Говорят, что лист самоочищается. Вода сворачивается в капельки-бусинки и на других поверхностях, например на некоторых растениях, имеющих на поверхности восковой слой. Однако на листьях лотоса процесс образования капель иной. Что же приводит к образованию капель на листьях лотоса?

ОТВЕТ • Способность капель воды растекаться по твердой поверхности обычно называют смачиваемостью поверхности. Присмотревшись к капле, можно увидеть, что по периметру она соприкасается с плоской поверхностью под некоторым углом. Этот угол очень мал, если капля легко смачивает поверхность и, растекаясь, уплощается, становясь похожей на блин. Если капля плохо смачивает поверхность, она имеет выпуклую форму, а угол соприкосновения с плоской поверхностью больше. На листьях лотоса форма капелек близка к сферической — они вообще не смачиваются.

В частности, это связано с тем, что листья состоят из молекул, которые практически не притягивают молекулы воды (про такую поверхность говорят, что у нее высокая гидрофобность). Поэтому поверхностное натяжение (взаимное притяжение молекул воды) стремится максимально уменьшить площадь поверхности капли, придавая ей сферическую форму. Многие другие твердые поверхности, например некоторые листья, тоже гидрофобные, и на них тоже образуются капельки.

На листьях лотоса капли воды напоминают бусинки еще и благодаря особой микроструктуре поверхности. Листья покрыты микроскопическими выступами, и их поверхность напоминает утыканную гвоздями доску (рис. 2.29). Капля не может провалиться между выступами-гвоздиками, поскольку они состоят из гидрофобного материала и расстояние между ними гораздо меньше размера капли. Не попадая в заполненное воздухом пространство между выступами, капля «садится» на их верхушки. Поскольку контакт с поверхностью листа минимален, поверхностное натяжение может свернуть каплю в практически идеальный шарик. Тогда, если лист хоть чуточку наклоняется, капля не растекается, а скатывается по нему. По пути на нее налипает грязь и пыль. Так скатившиеся капли очищают лист.

Рис. 2.29 / Задача 2.93. Капля воды имеет почти идеальную сферическую форму на поверхности листа лотоса с игольчатой микроструктурой.

Самоочищающиеся предметы домашнего обихода основаны на том же принципе. Например, есть оконные стекла, которые не требуют мытья. На поверхности такого стекла имеются микроскопические выступы, и образующиеся при мелком дождичке капли стекают по стеклу вниз и собирают всю пыль, грязь и копоть. Это очень удобно, особенно если окна, как в небоскребах, находятся высоко над землей. Можно и машины покрыть самоочищающимся под дождем материалом.