תוצא לוטוס

טיפת מים על משטח עלה לוטוס

תוצא הלוטוס (באנגלית: Lotus Effect) הוא תכונה סופר דוחה מים (סופר-הידרופוביות) של משטחים. שם התוצא הוא על שם תכונות משטחי עלי פרח הלוטוס (Nelumbo nucifera). משטח עלי הלוטוס מצופה בשעווה הידרופובית המכוסה בבליטות ננומטריות, שמקטינות למינימום את שטח המגע עם הנוזל. מתח הפנים של המים אינם מאפשרים להם לקיים תאחיזה (אדהזיה) למשטח שבין הבליטות הננומטריות. כתוצאה מכך המים יציבים יותר מבחינה אנרגטית כאשר הם נשארים כטיפה מלוכדת עם מינימום מגע עם פני שטח העלה ועם זווית מגע (contact angle) גדולה במיוחד. עלי פרח הלוטוס שימשו השראה לפיתוח משטחים סופר-הידרופוביים אשר "מתנקים מעצמם". פני השטח מתנקים בעקבות דחיית הנוזל מפני השטח ויצירת מתח פנים אשר גורם לנוזל למזער את פני שטח המגע שלו עם המשטח תוך יצירת תלכיד בצורת כדור שמחליק ומרחיק את החלקיקים אשר נספחים אליו. הרעיון יושם בפיתוח חומרים חדשים כמו בדים, עץ וזכוכית. בין הפיתוחים ניתן לראות חומר צבע לצביעת משטחים המתנקה מעצמו.

עקרונות פעולה

התכונה יוצאת הדופן של סופר-ההידרופביות של צמח הלוטוס מאופיינת על ידי שכבת האפידרמיס ההידרופובית אשר מורכבת ממבנה גאומטרי מרוכב של בליטות מיקרומטריות של תאי אפיתל ועל פניהן מבנים דמוי שעריות בגודל ננומטרי העשויות משרשראות של פחמימנים אשר מרכיבים את השעווה האפיקוטיקולרית (נמצאת בשכבה החיצונית ביותר של העלה) שתפקידה למנוע אובדן לחות מהצמח.

וידאו אילוסטרציה

כוחות אדהזיה פועלים על שכבת האפידרמיס בין הנוזל למשטח העלה, ככל שכוחות אלו יגדלו כך שטח המגע בין טיפת המים למשטח העלה יגדל. לעומת זאת כוחות קוהזיה פועלים בתוך הטיפה בין מולקולות המים לבן עצמן, ככל שכוחות אלו יתעצמו הם יצמצמו את שטח המגע בין הנוזל למשטח העלה כך שתיווצר צורת הטיפה זקופה על פני העלה. בשל האופי ההידרופובי של משטח העלה כאשר טיפת המים יוצרת מגע עם העלה מאזן הכוחות הוא לטובת הקוהזיה בין חלקיקי המים דבר הגורם להגדלת זווית המגע ולצמצום שטח המגע בין טיפת המים למשטח העלה. התופעה הזו גוברת בעקבות בועיות האוויר הממלאות את העמקים הנוצרים בין הבליטות ומפחיתות עוד יותר את שטח המגע בין טיפות נוזל לעלים. צורת טיפת המים על פני השטח תלויה בזווית המגע אשר היא הזווית בין המשיק לדופן הנוזל למשטח המצע שמתחת הטיפה. כאשר הטיפה מתפשטת ותופסת שטח נרחב על גבי המצע זווית מגע קטנה מ-90° והמצע נחשב להידרופילי. לעומת זאת, כאשר הטיפה במצב של צביר אז זווית המגע גדולה מ-90° והמצע המוצק נחשב להידרופובי. ככל שזווית המגע גדולה יותר ההידרופוביות גדולה יותר. לפיכך ניתן להבין כי תכונת ה"נקיון העצמי" תלויה בהיוצרות זווית מגע הגדולה ביותר בין פני השטח לנוזל אשר מעידה על סופר הידרופוביות וגורמת לדחיית הנוזל ויצירת טיפה מלוכדת. זווית המגע משקפת את יחסי הכוחות של האינטראקציה בין המולקולארית בנוזל לבין האינטראקציה בין הנוזל למשטח. צמחים שלעליהם מבנה מרוכב כמו הלוטוס יכולים להגיע לזווית מגע של 170° כאשר שטח המגע בפועל של טיפת הנוזל עם העלה יהיה 0.6% מפני שטח הטיפה. לתוצא זה ישנה חשיבות רבה להגנת הצמחים מפני פתוגנים כמו פטריות או אצות בשל הניקוי העצמי. בנוסף לכך, נמנע זיהום של האזורים החשופים לאור בעת ביצוע פוטוסינתזה החיונית להישרדותם. לעיתים ניתן לצפות בתופעה זו גם אצל בעלי חיים כגון שפיריות ופרפרים אשר מבחינה אבולוציונית מאפשרת לחלקי גופם להישאר נקיים על אף שהם אינם מסוגלים להתנקות בעצמם.

תאוריה

תרשים אנרגיות פני שטח של זווית מגע

זווית המגע θ מוגדרת על ידי הכוחות הפועלים על טיפת נוזל אשר מונחת על משטח מוצק ומוקפת בגז (אויר) ומתוארת על ידי משוואת יאנג:

$0=\gamma _{\mathrm {SV} }-\gamma _{\mathrm {SL} }-\gamma \cos \theta _{\mathrm {C} }\,$

כאשר:

γ_SV הוא אנרגיית פני השטח בממשק והמצע לגז

γ_SL הוא אנרגיית פני השטח בממשק המצע לנוזל

γ הוא אנרגיית פני השטח בממשק הנוזל לגז

θ_C היא זווית המגע במצב של שיווי משקל.

משוואת יאנג מסתמכת על כך שהמשטח המוצק קשיח ושטוח לחלוטין, אך המציאות היא שמשטחים הם אינם אידאלים, ולמעשה יכולים להיות מחוספסים ולא הומוגנים. משטח הרטבה הומוגני מתקיים כאשר הרכסים המיקרומטרים זהים ומתפרשים באופן אחיד על פני אותו המשטח והנוזל ממלא את החריצים הנוצרים. משטח הרטבה לא הומוגני מתקיים כאשר הרכסים אינם זהים ואחידים, כתוצאה מכך הנוזל לא חודר לכל החריצים ונוצרים כיסי אוויר. במשטחים הידרופוביים, המבנים המיקרומטרים וכיסי האוויר הנוצרים ביניהם גורמים לערכי זווית המגע לעלות ולטיפות הנוזל להיות ניידות יותר, כלומר, פחות צמודות אל המשטח. מכאן שהמבנה הגאומטרי משנה את הנטייה ההידרופובית של פני השטח.

שימושים פוטנציאלים ומסחריים

Protectosil - הגנה על בניינים

מגוון של מוצרים המצפים ומגינים על משטחי בניה כגון פלדה, בטון, לבנים, אבן טבעית, חול, אבן גיר, גרניט ושיש. Protectosil מורכב מסילאן אשר הינה תרכובת שמשתתפת ביצירת סיליקון. לתרכובת זו יש תכונות אשר מאפשרות לה להגיב עם חומרים אורגנים ואנאורגנים וליצור שכבות ציפוי פולימרוית. מכיוון שסילאן אינו יוצר קשרי מימן הוא אינו מסיס במים אלא דוחה אותם משתמשים בו לציפוי משטחי הבניה. Protectosil שומר על משטחים אלה מפני אצות וטחב, כתמי מים ומזהמים נוספים. החומר המגן הוא שקוף ויציב, ומונע חדירת מים ויוני כלוריד אל המשטחים ובכך מונע גם היווצרות חלודה.

™P2i Aridion - שכבת ציפוי הידרופובית למכשירים אלקטרונים

™P2i Aridion היא שכבת ציפוי המיועדת לציפוי מארזים של מכשירים אלקטרוניים. המארז מוקף על ידי גז פלואור בצורתו המונומרית ובתהליך של פעימת-פלזמה בו תדר רדיו (RF) מייצב את פעילות החומר כאשר הוא במצב של פלזמה, הפלואור עובר פולימריזציה ליצירת שכבת ציפוי הידרופובית דקה שמכסה את המשטחים הפנימיים והחיצוניים של מארז המכשיר. ציפוי המארז גורם לנוזלים שבאים במגע להתאגד לטיפות קטנות בשל התכונות ההידרופובית של החומר. ציפוי זה מאפשר הגנה על רכיבים עדינים שנמצאים בסיכון להינזק ממגע עם נוזל הגורם לקורוזיה או לתקלה במערכת החשמלית. יתרון נוסף נובע מכך שהציפוי חובר אל פני השטח ברמה המולקולארית ומאפשר הגנה שנשמרת לאורך כל חיי המכשיר.

Envicoat - חומר איטום למשטחי זכוכית

ציפוי זה הוא תערובת של פולימרים סינתטיים שביכולתם לשנות את מאפייני הזכוכית ומשטחים נקבוביים באופן שיגרום למים ושלג להידחות מפני השטח. בנוסף, החומר מסוגל להפחית את ההצטברות של אבק, מלח וחומרים אחרים אשר נמצאים בסביבתנו. הפולימר מורכב משרשראות של סיליקון המכילות אטומי חמצן וקבוצות מתיל. קבוצות המתיל יוצרות משטח לא קוטבי שמונע את יצירת קשרי מימן וכך המים אינם נקשרים אל הזכוכית. חומר זה יוצר ציפוי עמיד אשר לא נסדק נשבר או מתקלף. הוא בטוח לשימוש על כל משטחי הזכוכית, מראות, מתכות שאינן מכילות ברזל, פורצלן, פיברגלס, אריחים לא מזוגגים ופלסטיק.

®Clean plus Helukabel - ציפוי כבלים לשיפור התחזוקה בסביבות תעשייתיות

Clean plus Helukabel הוא ציפוי ננומטרי שומני של כבלים עמיד לחומרים מזהמים כגון שמן, גריז, צבע ובוצה. הם מתאימים ליישום במגוון רחב של תעשיות כגון ענף הבנייה, בבתי חולים ואף תעשיית המזון. לכלוך קל ניתן לנקות בקלות עם זרם מים רגיל או בעזרת מטלית, בעוד שלכלוך כבד יותר יתנקה על ידי הזרמת מים בלחץ גבוה או בעזרת קיטור, ללא הצורך בחומרי ניקוי אגרסיביים, אשר לאורך זמן יכולים לפגוע בכיסוי החיצוני ולהשפיע על הביצועים של הכבל.

אתגרים עתידיים

בשנים האחרונות, מאמץ רב הושקע במגוון רחב של תחומים על מנת לחקות את תוצא הלוטוס באמצעים ננוטכנולוגים. הידע הנרכש בעקבות חקר התכונות הסופר-הידרופוביות משולב בייצור ציפויים אנטי אלרגנים, דוחי חיידקים, ומרחיקי לכלוך. נושא זה עורר עניין רב בנאס"א, אשר מעורב בפיתוח ציפוי מיוחד אשר ימנע מחלקיקים להידבק לציוד אשר בחלליות. בתחום הטקסטיל, נעשים מחקרים כדי ליצור מרקמי בדים המדמים את עלי הלוטוס באמצעות חלקיקי סיליקה וכסף כגון: בבגדי גשם, בגדי ספורט וריפוד. מכיוון שצמח הקולקס (Colocasia esculenta) וכובע הנזיר (Tropaeolum) מאופיינים בתכונות דומות, המסע בחקר השימושים הפוטנציאלים בהשראת התכונות הביולוגיות הייחודיות האלו ממשיך.

מבט אל סופר הידרופיליות

חומרים סופר הידרופילים הפוכים בתכונותיהם מחומרים סופר הידרופוביים. הם מסיסים במים ואף מושכים אותם אליהם באמצעות ספיחה בתופעה אשר נקראת היגרוסקופיה. כאשר טיפות מים נמצאות על משטח הידרופילי הן מתפשטות ומשתטחות עליו לחלוטין ליצירת זווית המגע הנמוכה ביותר האפשרית.

™Pilkington Activ - זכוכית מתנקה מעצמה

טכנולוגיה זו מתבססת על תכונה הפוכה מתוצא הלוטוס, כלומר סופר-הידרופיליות. חלונות הזכוכית מורכבים מחומר פוטו-קטליטי אשר עובר אקטיבציה על ידי חשיפה ל- UV באור יום. החומר הפעיל מפרק לכלוך לחלקיקים קטנים שיושבים על פני השטח. בנוסף, החלונות מצופים בשכבה ננומטרית דקה המעודדת את המים להיצמד אל פני השטח וליצור משטח נוזלי אחיד אשר נשטף בעזרת כוח הכבידה ואוסף את הלכלוך המפורק. היתרונות של חלונות אלה בולטים במיוחד כאשר הם נשטפים בכמויות מים גדולות או כאשר הם מותקנים באזורים גאוגרפים בהם ישנם גשמים רבים.

ראו גם

• הידרופיליות
• הידרופוביות
• זווית מגע
• ביומימטיקה

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא תוצא לוטוס בוויקישיתוף

• Protectosil - הגנה על בניינים
• ™P2i Aridion - שכבת ציפוי הידרופובית למכשירים אלקטרונים
• Envicoat - חומר איטום למשטחי זכוכית
• ®Clean plus Helukabel - ציפוי כבלים לשיפור התחזוקה בסביבות תעשייתיות
• Lotus Plant-Inspired Dust-Busting Shield to Protect Space Gear
• ™Pilkington Activ - זכוכית מתנקה מעצמה