Роза раскрыла влажный секрет

У природы всегда есть чему поучиться. Это в очередной раз доказали химики и биологи из пекинского университета, выяснившие механизм «лепесткового» эффекта роз. Именно он обеспечивает самые потрясающие снимки, сделанные после дождя, когда капли воды буквально застывают на бархатных или глянцевых бутонах, не стекая с них, даже если перевернуть цветок.

Отношения различных природных поверхностей с водой удивительно разнообразны: от абсолютно гидрофобных (водоотталкивающих) до максимально гидрофильных (смачиваемых). Причем в биологии трудно найти организм, не прибегающий ни к каким приспособлениям для усиления или ослабления контакта с основой нашей формы жизни. Листья и лепестки растений чаще склонны к гидрофобным свойствам, как крылья и ноги насекомых. Достаточно малейшего ветерка или дрожи, чтобы капля сбежала с поверхности.

Этот эффект, называемый эффектом лотоса, достаточно хорошо изучен и обеспечивается не только несмачиваемым воскоподобным покрытием, но и уникальной микроструктурой. Практическое применение очевидно: самоочищающиеся или вовсе «непачкающиеся» материалы, которые уже воспроизведены, необходимые в технике и в медицине. Например, антипригарное покрытие сковородок или сверхгидрофобный эффект лап геккона, воспроизведенный с помощью слоя полистироловых нанотрубочек.

Всё описанное – примеры гидрофобных состояний, когда капли скатываются при малейшей дрожи.

Лепестковый эффект – полная тому противоположность. Причём особенность его в том, что гидрофобность поверхности сочетается с её сильнейшей адгезией («прилипучестью»).

В результате на бутоне оседают капли сферической формы, которые, с одной стороны, не растекаются по лепестку, но при этом они не скатываются, даже если развернуть систему вверх тормашками.

Как выяснили китайские учёные под руководством Линь Фэна из университета Цинхуа в Пекине, причина эффекта – в особенностях упорядоченных микро- и наноструктур, выявленных с помощью электронной микроскопии; учёным даже удалось создать их искусственную копию. Работа учёных опубликована в последнем номере журнала Langmuir.

Подобные структуры уже были обнаружены в листах лотоса и конечностях многих членистоногих. Учёные полагали, что причина особых свойств розы – в существенно отличающихся размерах их элементов.

Как оказалось, размеры здесь ни при чём – они примерно такие же, как у лотоса.

Критичной оказалась форма этих микроскопических «шишечек».

Если у лотоса расстояния между ними недостаточно для обеспечения полного контакта, то конусообразные выросты на лепестках розы, находящиеся на чуть большем расстоянии друг от друга, надежно «закрепляют» каплю на поверхности.

Найденные особенности китайские микротехнологи сразу применили на практике, взяв вместо естественных биополимеров искусственные поливинил и полистирол. Если эти материалы находятся в виде пленки, то их поверхность несмачиваема. Стоило только структурировать их по аналогии с розой, как ученые сразу получили сверхгидрофобное и притом высокоадгезивное состояние.

Причем если в плоском состоянии гидрофобность полистироловой пленки, измеряемая «краевым углом» или «углом смачивания», составляет 95^o, то введение упорядоченной шероховатой структуры увеличило его до 154,6^o, добавив, кроме этого, и способность «завешивать каплю», если искусственный лепесток перевернуть.

Создавались микроматериалы с помощью метода отпечатка, когда в качестве матрицы использовался лепесток розы, на который наносили раствор полимера с последующим испарением растворителя. А с этого отпечатка уже делали новую структуру, практически не отличающуюся от лепестка, за исключением чешуек, формирующих эти «шишечки» в природе.

Ученые полагают, что в зависимости от цели для этого пригодны не только различные полимеры – полиакрилонитрил, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат и полиамиды, но и различные биологические матрицы, свойства которых необходимо воспроизвести.

Впрочем, стоимость и технологичность методов вряд ли позволят в ближайшем будущем создать искусственные цветы, вызывающие такое же восхищение после дождя.