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神奇 而多樣的 蓮葉效應

神奇 而多樣的 蓮葉效應. 竹北國中 一年七班 許明騰. 一、 研究動機. 二、 研究目的. 三、 研究方法. 四、 結果與綜合討論. 五、 延伸活動. 六、 參考資料. 一、研究動機：. 在清理家裡的水生植物池時，發現蓮花的葉子上有許多滾來滾去的水珠，爸爸說這是蓮葉效應，我覺得很有趣，所以針對蓮葉效應做了一點觀察和紀錄。. 二、研究目的：. 1. 認識蓮花與睡蓮。 2. 了解何謂「蓮葉效應」。 3. 了解「蓮葉效應」的成因。 4. 了解「蓮葉效應」對蓮花的意義。 5. 自然界中「蓮葉效應」的應用。 6. 工業界對蓮葉效應的運用。. 三、研究方法：.

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神奇 而多樣的 蓮葉效應

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Presentation Transcript

  1. 神奇而多樣的蓮葉效應 竹北國中 一年七班 許明騰

  2. 一、研究動機 二、研究目的 三、研究方法 四、結果與綜合討論 五、延伸活動 六、參考資料

  3. 一、研究動機： • 在清理家裡的水生植物池時，發現蓮花的葉子上有許多滾來滾去的水珠，爸爸說這是蓮葉效應，我覺得很有趣，所以針對蓮葉效應做了一點觀察和紀錄。

  4. 二、研究目的： 1.認識蓮花與睡蓮。 2.了解何謂「蓮葉效應」。 3.了解「蓮葉效應」的成因。 4.了解「蓮葉效應」對蓮花的意義。 5.自然界中「蓮葉效應」的應用。 6.工業界對蓮葉效應的運用。

  5. 三、研究方法： 1.利用各種管道查出相關資料。 2.利用蓮花葉片試驗蓮葉效應並探討其意義，拍照或錄影紀錄。 3.試驗不同植物的葉片，以了解是否具有蓮葉效應，並拍照紀錄。

  6. 四、結果與綜合討論：

  7. 1、認識蓮花與睡蓮 蓮花屬於浮水、挺水性兼具的植物，葉子會明顯的挺出水面。

  8. 睡蓮是屬於浮葉性的植物，葉子大多浮在水面上。睡蓮是屬於浮葉性的植物，葉子大多浮在水面上。

  9. 2、何謂「蓮葉效應」 • 宋朝大儒周敦頤已經注意到蓮花的葉子不易髒，雖然從污水中長出來，也不會沾留髒東西。 （見愛蓮說） • 1997年，德國波昂大學的植物學家Wilhelm Barthlott針對蓮葉表面進行了一系列的實驗，發現蓮葉表面的超疏水性特性與其自潔效應的關係，並創造了「蓮葉效應」(Lotus effect)一詞。

  10. 愛蓮說 周敦頤 • 水陸草木之花，可愛者甚蕃。 晉陶淵明獨愛菊﹔自李唐來，世人盛愛牡丹﹔予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖，中通外直，不蔓不枝，香遠益清，亭亭靜植，可遠觀而不可褻玩焉。 • 予謂菊，花之隱逸者也﹔牡丹，花之富貴者也﹔蓮，花之君子者也。 • 噫！菊之愛，陶后鮮有聞﹔蓮之愛，同予者何人﹔牡丹之愛，宜乎眾矣。

  11. 蓮花的環境適應 • 蓮花一般都生長在淤泥較厚、水較不流動的缺氧環境中，為了適應這樣惡劣的環境，蓮花也有許多的適應策略。 • 如圖a所示，蓮花可利用肥厚、分支發達的地下莖（即俗稱的蓮藕）來儲存養分、擴充地盤、並增加植物體的穩定性；

  12. a.利用肥厚、分支發達的地下莖 (蓮藕)來儲存養分、擴充地盤並增加植物體的穩定性。

  13. 蓮花的環境適應 • 蓮花一般都生長在淤泥較厚、水較不流動的缺氧環境中，為了適應這樣惡劣的環境，蓮花也有許多的適應策略。 • 如圖a所示，蓮花可利用肥厚、分支發達的地下莖（即俗稱的蓮藕）來儲存養分、擴充地盤、並增加植物體的穩定性； • 圖b顯示蓮花葉柄和莖都具有許多疏鬆、多孔隙的結構，可以增加氧的儲存量；

  14. a.利用肥厚、分支發達的地下莖來儲存養分、擴充地盤並增加植物體的穩定性。 b.蓮藕具有疏鬆、多孔隙的結構以增加空氣的儲存量。

  15. 蓮花的環境適應 • 蓮花一般都生長在淤泥較厚、水較不流動的缺氧環境中，為了適應這樣惡劣的環境，蓮花也有許多的適應策略。 • 如圖a所示，蓮花可利用肥厚、分支發達的地下莖（即俗稱的蓮藕）來儲存養分、擴充地盤、並增加植物體的穩定性； • 圖b顯示蓮花葉柄和莖都具有許多疏鬆、多孔隙的結構，可以增加氧的儲存量； • 圖c顯示蓮花植物體內具有黏稠的汁液，這些汁液可以增加葉柄的韌性，使葉子在受到強風吹拂時不易折斷；

  16. a.利用肥厚、分支發達的地下莖來儲存養分、擴充地盤並增加植物體的穩定性。 b.蓮藕具有疏鬆、多孔隙的結構以增加空氣的儲存量。 c.葉柄具黏稠的汁液以增加韌性。

  17. 蓮花的環境適應 • 如圖a所示，蓮花可利用肥厚、分支發達的地下莖（即俗稱的蓮藕）來儲存養分、擴充地盤、並增加植物體的穩定性； • 圖b顯示蓮花葉柄和莖都具有許多疏鬆、多孔隙的結構，可以增加氧的儲存量； • 圖c顯示蓮花植物體內具有黏稠的汁液，這些汁液可以增加葉柄的韌性，使葉子在受到強風吹拂時不易折斷； • 圖d可看出蓮花葉柄的外表許多堅硬、尖銳的皮刺，除可用來增加葉柄的強度外，更具有保護自己的功能。

  18. a.利用肥厚、分支發達的地下莖來儲存養分、擴充地盤並增加植物體的穩定性。 b.蓮藕具有疏鬆、多孔隙的結構以增加空氣的儲存量。 c.葉柄具黏稠的汁液以增加韌性。 d.葉柄外更有尖銳的皮刺，可增加葉柄的支持強度。

  19. 蓮葉的自潔效應 • 蓮花葉面具有許多臘質的表皮，這些表皮上有著許多的突起，這些突起的表面上還佈滿了許多奈米等級的空心管狀結構。透過這些微細構造的功能，使蓮葉的表面具有很高的疏水性質，除了可以產生很好的浮力效應外，更能避免葉面遭受污染而有很好的自潔效應，而這也正是周敦頤所讚嘆蓮花「出淤泥而不染」的主要成因，現在則被稱之為「蓮葉效應」。

  20. 蓮葉利用滾動水珠達到自潔的功能(水珠滾過的地方，砂粒就被帶走了哦！)蓮葉利用滾動水珠達到自潔的功能(水珠滾過的地方，砂粒就被帶走了哦！)

  21. 3、蓮葉效應的成因 (1)一般物質的親水或疏水性質與其本質有關，可以接觸角的大小來表明其親、疏水的特性。如圖所示，當液體滴在固體表面上時，固體表面和液滴切線的夾角，就是所謂的接觸角(Contact angle) α。 (2)一般說來若接觸角小於90度，稱為具有親水特性，如水在玻璃上的接觸角為0~5 度。若大於90度則稱為具有疏水特性，如水在石蠟上的接觸角為108度。接觸角若小於5度稱為具有超親水性，而接觸角若大於150度，則稱為具有超疏水性。

  22. 液體與氣體界面 液體 接觸角α 液體與固體界面 固體 接觸角示意圖

  23. 蓮葉的超疏水結構 • 親、疏水特性除了受到物質的本質影響外，也和物質的表面結構特性有關，物體表面的粗糙度會影響到固-液間的接觸面積，而固-液間的接觸面積比例又會會影響到附著力的大小，所以物體粗糙程度的改變也可能改變彼此間親、疏水的程度，固-液接觸面積比例愈小則表面的疏水特性就愈強。

  24. 葉表面有角質，使接觸角約呈90° 按我 葉表面有微米結構，使接觸角大於110°→疏水性

  25. 蓮葉表面具有許多5-10 μm的突起構造(微米結構)

  26. 葉表面有角質，使接觸角約呈90° 按我 葉表面有微米結構，使接觸角大於110°→疏水性 葉表面有奈米結構，使接觸角高達160°→超疏水性 按我

  27. 蓮葉表面具有許多5-10 μm的突起構造(微米結構) 蓮葉表面突起構造上還佈滿了直徑約100 nm的蠟質結構(奈米突起)

  28. 4、「蓮葉效應」對蓮花的意義 「蓮葉效應」對於蓮葉有很好的保護作用，蓮葉表面的微細構造一旦破壞，葉面就會喪失超疏水特性而很快腐壞。

  29. 5、自然界中對蓮葉效應的應用 ※ 在自然界中，利用類似蓮葉效應的構造與特性以適應各種環境的例子很多。 (1)如「田字草」，可利用葉面上的蠟質微米級突起來增加疏水特性，當葉面沉入水中時，其葉面外圍的空氣膜能使葉面順利的漂浮於水面上。而芋頭、槐葉萍等水生植物也可利用類似的構造達到適應水中生活的目的。

  30. 5、自然界中對蓮葉效應的應用 南國田字草（Marsilea crenatePresl.）可利用葉上的蠟質微米結構來增加浮力。

  31. 5、自然界中對蓮葉效應的應用 (2)濱刺麥是海濱常見的定沙植物，葉子和莖的表面具有許多的蠟質突起，此構造不僅可用於防水，更可抵擋風沙的傷害，所以使濱刺麥成了海濱沙地的優勢物種。

  32. 5、自然界中對蓮葉效應的應用 濱刺麥（Spinifexlittoreus (Burm. f.) Merr.）是海濱常見的定沙植物，可利用葉面微細的蠟質結構來抵抗風沙。

  33. 5、自然界中對蓮葉效應的應用 (3)金背鳩可利用羽毛上羽軸邊的突起構造，配合適量的油脂塗抹，來達到類似蓮葉效應的防水效果。所以許多鳥類都會利用肛門腺所分泌的油脂做好羽毛的保養與護理，這種行為在水鳥身上更是頻繁。 金背鳩（Streptopeliaorientalis）可利用羽軸上的微細羽支，配合油脂的塗抹而達到防水的效果。

  34. 5、自然界中對蓮葉效應的應用 (4)擬環紋豹蜘可利用腳上的微細結構，利用表面張力而在水面上自由活動，甚至利用水面的表面張力來捕食其他動物，而這樣的生存模式也可在水黽身上發現。 擬環紋豹蜘（Pardosapseudoannulata）可利用腳末端微細的長毛來提升表面張力，而能在水面上活動

  35. 6、工業界對蓮葉效應的運用 • 由於超疏水結構具有諸多的功能，因而許多科學家也想模仿蓮葉的特性，來製作具有超疏水特性的產品。一般的做法是由多種化學成份摻雜，經複雜之反應過程產生具有微結構表面的不規則碎片形表面，並利用這樣的超斥水性表面運用於成品上。

  36. 6、工業界對蓮葉效應的運用 • 如圖所示，利用將奈米疏水微粒添加入紡織品的做法，可以製作具有超疏水性質的防污布料，這些布料可用來製作生活所需的用品，這些產品不沾水、不沾油污，可使表面常保乾燥、無污之特性，是非常具有潛力的商品。 利用微結構所造成的超疏水性質，可製作出不沾水的自潔布料。

  37. 6、工業界對蓮葉效應的運用 • 如圖所示，也可利用奈米材料製造出不易附著汙垢，且具有自清潔效果的建材。有關蓮葉效應的相關產品很多，目前市面上較常見的產品與類型有BASF公司生產，由奈米微粒及疏水性聚合物混合組成的鍍膜噴劑，稱為蓮花噴霧劑，可利用噴劑型成疏水性的表面。 在磁磚表面加附奈米微粒，可提高磁磚的防汙效果

  38. 6、工業界對蓮葉效應的運用 • 如圖所示，也可利用奈米材料製造出不易附著汙垢，且具有自清潔效果的建材。有關蓮葉效應的相關產品很多，目前市面上較常見的產品與類型有BASF公司生產，由奈米微粒及疏水性聚合物混合組成的鍍膜噴劑，稱為蓮花噴霧劑，可利用噴劑型成疏水性的表面。 • STO公司生產，可使建築物具有容易清潔、易維護、不易沾污、不易毀損等好處的Lotusan塗料。 • iTV公司開發，仿蓮葉自清潔效果，的紡織材料。 • 光陽公司生產，具有耐侵蝕、不易褪色、不易沾染污垢、硬度較一般塗料高，不易產生刮痕、表面光澤及觸感較一般塗料光滑細緻的奈米彩晶塗裝。 • 和成公司開發，將奈米釉覆蓋在陶瓷表面、添加銀離子形成高溫抗菌劑、使衛浴設備不易附著污垢亦不易產生臭味的和成ADB (Anti-Dirt-Bacteria) 奈米馬桶。

  39. 五、延伸活動： 步驟： 1、以校園裡的常見植物為材料(例如：黃金葛、蓮花、大萍…等)，透過自己的觀察、歸納與實驗探討各種葉片的親水性或疏水性。

  40. (1) 把水滴在蓮葉、黃金葛及大萍…葉上，觀察是否具有蓮葉效應。

  41. ③大萍—具有蓮葉效應

  42. 圓葉金午時花 ④圓葉金午時花具有蓮葉效應

  43. 馬鞍藤 ⑤馬鞍藤不具有蓮葉效應

  44. 托葉--有蓮葉效應 ⑥黃槿 葉面--不具有蓮葉效應 葉背--具有蓮葉效應

  45. (2) 把葉片直接置入水中，觀察是否具有蓮葉效應 ①大萍—具有蓮葉效應

  46. ②蘋果蓮—不具有蓮葉效應

  47. ③構樹 ③構樹—不具有蓮葉效應

  48. ④醴腸 ④醴腸--不具有蓮葉效應

  49. 五、延伸活動： 步驟： 2、葉面結構與自潔功能的探討 (1)在葉面上灑上一些砂子，輕加抖落 和以清水加以沖洗後，觀察葉面砂粒的殘存量。

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