涨姿势｜荷花为何能够出淤泥而不染？

辰小山

5分钟前：

美丽的荷花为我们的夏天带来无尽美的感受，她生于塘泥污秽之中，却能够“出淤泥而不染”，你有想过她是怎么做到的吗？

荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基（-OH）、（-NH）等极性基团，在自然环境中很容易吸附水分或污渍，要想做到一尘不染似乎不可能。或许你会想当然的以为只有非常光滑的表面才能不染尘埃，但仔细触摸荷叶，却始料未及的发现原来荷叶表面糙感明显，但为何粗糙的表面却不滞留污垢呢？让我们开始今天的科普吧。。。

荷叶自洁效应

众所周知，水滴落在荷叶上，会变成了一个个自由滚动的水珠，这说明荷叶叶面具有极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，而水珠的滚动会把落在叶面上的尘土污泥吸附掉滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的”荷叶自洁效应（lotus-effect）”。

▲雨滴在荷叶表面形成晶莹的露珠

荷叶的微观结构

经过两位德国科学家的长期观察研究，即上世纪九十年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。荷叶的自洁效应与荷叶表面的微观结构有关。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到，荷叶表面上有许多微小的乳突。乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突由许多直径为200纳米左右的突起组成的。 

▲荷叶表面电镜扫描结构

打个比方，电镜下的荷叶叶面上仿佛布满着一个挨一个隆起的“小山包”，它上面长满绒毛，在“小山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶，仿佛一只只触角保护着叶面，使得尺寸比它大的东西根本无法靠近叶面。 

▲水滴在荷叶表面上的电镜扫描示意

荷叶自洁效应的奥秘

这种乳实状结构的存在使得在”山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上”山包”的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是”荷叶效应”能自洁叶面的奥妙所在。

▲ 荷叶自洁效应：水珠滚动时将叶表面垃圾带走

荷叶的自洁特性已被研究的十分彻底，这种超级疏水自洁功能引起了科学家的浓厚兴趣，从而大大促进了仿生学的研究以及荷叶表面结构模拟产品开发。研究表明，这种具有自洁效应的表面超微纳米结构形貌，不仅存在于荷叶中，也普遍存在于其它植物中，另外一些动物的皮毛中也存在这种结构。

其实植物叶面的这种复杂的超微纳米结构，不仅有利于自洁，还有利于防止对大量漂浮在大气中的各种有害的细菌和真菌对植物的侵害。另外，更重要的是，为了提高叶面吸收阳光的效率，进而提高叶面叶绿体的光合作用。

▲除了荷叶具有自洁效应以外，其它植物中也能发现这种现象，如天南星科植物（芋头、海芋等）

编辑：海桐

参考资料：

1. 国际荷花网——荷花为何出污泥而不染？

   http://www.nelumbolotus.com/kepumore.asp?id=3

2. 复旦大学物理教学实验中心——荷叶效应