自潔功能〈Self clean function〉

自潔功能〈Self clean function〉
台中縣立新社高級中學物理科陳俊清老師/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

所謂自潔功能，是指當灰塵等污染物沾到物體的表面時，可藉由天然雨水的沖刷，不需人工清洗，就可保持表面的清潔，我們稱其具有自潔能力。

「蓮之出淤泥而不染，濯清廉而不妖，中通外直，不蔓不枝，香遠益清，亭亭淨植，可遠觀而不可褻玩焉」，蓮葉上頭之所以有著乾淨的表面，是來自於它本身的自潔能力，蓮花葉片上具有許多細小之纖毛，使得滴落於葉面上之水珠與其之接觸角(contact angle)大於 $$140$$ 度且使水不沾附於葉面而形成小水珠，這就是蓮葉表面的超疏水(superhydrophobicity)性質。此外，細小之纖毛使灰塵等雜質與雨水不易沾附，稱為蓮葉之自潔(self-cleaning)特性。科學家利用高解析度電子顯微鏡觀察蓮葉，他們發現蓮葉表面佈滿約 $$5-10~\mu m$$ 高，相距約 $$10-15~\mu m$$ 的微小凸塊，這凹凸不平的表面，本身又佈滿直徑約為 $$1~nm$$ 的蠟質結晶。

蓮葉表面上，塵埃微粒大於凸塊間距，造成灰塵污物無法嵌入凸塊間，而其上之臘質結晶，無法讓水有潤濕的情況，一但下雨過後，水滴將會帶走灰塵污物，而達到其本身的自潔作用。

臘質材料具有疏水性，而奈米級的臘質材料更具有強大的超疏水性，提到疏水性首先要了解到接觸角，液體與接觸的表面會有一夾角，我們稱之接觸角，當這個接觸角在 $$0$$ 與 $$90$$ 度間，液體平鋪於接觸面上，我們稱之潤濕；角度若是在 $$90$$ 與 $$180$$ 度間，液滴呈現橢圓或球狀，稱之非潤濕也就是所謂的疏水性。

表面親水或疏水的成因頗為複雜，與三種界面材料有關(水、空氣和蓮葉表面)。因此在 (1)空氣和水之間，(2)空氣和葉面之間，和(3)水和葉面之間有著氣液、氣固、液固三個界面。一個表面是否親水或疏水將決定於在這三個界面之中表面張力的大小比例。而蓮葉的表面有非常強的疏水性，形成的接觸角大於 $$140$$ 度，表示水極不容易潤濕蓮葉表面，當水珠落在蓮葉上，蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會因表面張力的作用形成水珠，葉面受到輕微擾動，水珠將輕易滾動並挾帶灰塵微粒，而落入水面中。

參考資料：
1.（中北區）奈米科技K-12教育發展計畫－奈米線上辭典
http://pesto.lib.nthu.edu.tw/k12/dictionary_all.asp
2.原子世界－蓮花效應－蓮花效應的原理
http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html