Эффект лотоса

На фото — капли воды на листе лотоса. Вода не впитывается, потому что поверхность листа ультрагидрофобна — то есть капля имеет минимальное соприкосновение с покрытием.

Такие поверхности не впитывают воду, и капли с них можно легко стряхнуть. Эту особенность назвали «эффектом лотоса», хотя ультрагидрофобность, или супергидрофобность (см. Ultrahydrophobicity), характерна и для многих других водных, а также тропических и субтропических растений (например, настурции, опунции, манжетки), крыльев насекомых (см. Крылья цикад покрыты бактерицидной микроскульптурой, «Элементы», 08.04.2013), лапок водомерок, перьев водоплавающих птиц. Поверхность других растений просто гидрофобна (это доказывает, например, наличие росы на траве по утрам). Мелкие капли могут задерживаться и снабжать растение влагой, а крупные скатываются.

Для растений важно, чтобы на лепестках и листьях не оставалась грязь и не размножались грибки и бактерии, которые не только снижают эффективность фотосинтеза, но и выделяют опасные метаболиты и разрушают растительную ткань. С ультрагидрофобной поверхности капли воды скатываются, забирая с собой налипшую грязь, споры и бактерии. Достигается этот эффект довольно просто: если рассмотреть поверхность растения под микроскопом, можно заметить, что она не гладкая, а шероховатая. И, более того, покрыта воскоподобным веществом, которое само по себе является гидрофобным. Расположенные с определенной периодичностью микроскопические бугорки мешают капле смачивать поверхность из-за силы поверхностного натяжения. Поэтому капли держатся на кончиках бугорков и при малейшем дуновении ветра скатываются по листу.

Бывают ультаргидрофобные поверхности, с которых вода не скатывается, а, наоборот, удерживается. Вспомним лепестки розы: капли на них остаются красивыми сферами, но, в отличие от лотоса, не скатываются, а крепко «держатся» за цветок. Дело в том, что на поверхности лепестков розы форма шипиков другая, более конусообразная, и расположены они немного реже, чем у лотоса. Поэтому вода остается между выступами и удерживается за счет адгезии. Но не вся, а только мелкие капли, освежающие и снабжающие влагой бутон, а большие скатываются из-за своей тяжести. Этот эффект ученые назвали «эффектом лепестка» (petal effect) — по аналогии с эффектом лотоса.

Вверху — поверхности лепестка розы (a) и верхней стороны листа лотоса (b) в сканирующем электронном микроскопе. Бугорки лепестка розы более крупные и пространства между ними больше, поэтому там удерживаются капли воды. Внизу — схематичные изображения покрытия водой лепестков розы (слева) и листа лотоса (справа). Фото a и рисунок из статьи L. Feng et al., 2008. Petal effect: a superhydrophobic state with high adhesive force. Фото b — из статьи H. J. Ensikat et al., 2011. Superhydrophobicity in perfection: the outstanding properties of the lotus leaf

Эта взаимосвязь между уровнем гидрофобности и параметрами шероховатой поверхности математически сформулирована в законе Кассье, который определяет эффективное значение краевого угла смачивания для неоднородной поверхности. Для ультрагидрофобных поверхностей этот угол составляет более 150°.

Слева направо показаны значения краевых углов θ, которые может принимать капля воды, находящаяся на гидрофильной, гидрофобной и ультрагидрофобной поверхности. Рисунок © Юрий Ерин из статьи Наноструктурированные сверхгидрофобные поверхности помогут избежать обледенения, «Элементы», 17.01.2011

Интересно, что даже бактерии, образующие биопленки, используют похожий механизм для предотвращения смывания себя с поверхностей. При выращивании на разных средах биопленка имеет разные уровни гидрофобности: на богатой питательными веществами среде LB (см. рисунок ниже) «поведение» колонии гидрофильное, на LBGM (обогащенная сульфатом марганца и 1% глицерина) — гидрофобное «по типу лотоса», а на MSgg (малопитательная среда со сложной комбинацией многовалентных ионов и аминокислот) — гидрофобное «по типу лепестка розы». Ученые предполагают, что такое различие является адаптацией к различным внешним условиям. С одной стороны, странно, что гидрофобность не наблюдается на всех колониях, так как вода может смыть биопленку и вызвать ее эрозию, но с другой — задерживание влаги на поверхности способствует смачиванию и предотвращает высыхание.

Микроскопические изображения поверхности биоплёнок сенной палочки (Bacillus subtilis) на разных питательных средах, а также в разных частях. Можно заметить, что периферия колонии всегда более гидрофобна (то есть имеет более шероховатую поверхность), чем её центр, вероятно потому, что водной эрозии больше подвержены крайние области. Изображение из статьи M. Werb et al., 2017. Surface topology affects wetting behavior of Bacillus subtilis biofilms

Изучение эффекта лотоса у разных организмов помогает создавать гидрофобные искусственные материалы, которые можно отнести к биомиметикам. Например, крылья бабочки Morpho sulkowsky покрыты чешуйками, которые не только создают эффект лотоса, но и отражают свет так, что мы видим синюю окраску (см. статью Структурный цвет в живой природе). Микроструктура не только спасает от воды, которая мешает полету, но и защищает от насекомоядных (синий цвет служит предупреждением, как и другие яркие цвета).

Ученые, вдохновившись многофункциональностью покровов этой бабочки, создали пленку с высокоупорядоченными лунками из оксида кремния. Шероховатость пленки придала гидрофобность материалу, а от расстояния между отверстиями зависит длина волны отраженного света (и цвет, который мы увидим). Так инженеры смогут не только задавать гидрофобные свойства материалу, но и регулировать его внешний вид. Эффект лотоса вдохновляет и на создание ультрагидрофобных поверхностей для предотвращения оледенения