Lotosový efekt

Drobulinké mikroskopické hrbolčeky na povrchu lotosových listov im pomáhajú odpudzovať vodu a zostať čisté.

Predstavte si, že váš dom natriete farbou, ktorá odpudzuje nečistoty aj vodu. Zatiaľ čo vaši susedia musia pravidelne maľovať, váš dom zostáva čistý. Čo za „zázrak“ je ten náter na vašej stene? Materiáloví inžinieri a vedci sa inšpirovali lotosovými listami a kvetmi, ktoré zostávajú čisté aj v blatistom prostredí.

1. Žiaci sa rozdelia do skupín.
2. Každá skupina dostane ukážky hydrofilných vs. hydrofóbnych povrchov (napr. kúsok skla alebo šalátový list verzus kúsok plastu, kel, brokolica, ružičkový kel, kapusta, tulipán, lekno...).
3. Požiadajte študentov, aby sa dotkli každého listu a diskutujte o ich rozdielnych povrchoch. Cítia nejaký rozdiel? (Aj keď je povrch kelu hladký, na mikroskopickej úrovni je drsný.)
4. Povedzte žiakom, aby kvapkadlom na každý povrch naniesli kvapku vody. Ako sa správajú kvapky vody? Sú povrchy suché alebo mokré? (Nie, listy šalátu zostávajú vlhké, zatiaľ čo listy kelu sú pokryté kvapkami vody).

Variácia pokusu: Na dve časti kelu listu dáme vodu, jednu ponecháme bez dotyku a druhú potrieme. Čo sa stane? (Nedotknutý povrch bude mať "zbalené" kvapky vody; na trenom povrchu budú sploštené kvapky, ktoré sa prilepia na list). Prečo?

Vysvetlite žiakom, že vo vzťahu k vode možno listy (povrchy) rozdeliť do dvoch skupín: hydrofilné („milujú vodu“ = zachytávajú vodu, ako šalátové listy) a hydrofóbne listy („boja sa vody“ = odpudzujú vodu, ako lotos alebo listy kelu).

Predstavte študentom lotosový efekt a to, že inšpiroval vedcov k vývoju inovatívnych povrchových náterov, viď video.

Požiadajte študentov, aby prišli s nápadmi, ako by sa dal použiť lotosový efekt a či to môže pomôcť zlepšiť udržateľnosť rôznych produktov.

Listy v prírode majú rôzne tvary, formy a povrchy. Všetky tieto vlastnosti sú prispôsobené na prežitie. Len si predstavte listy lotosu... žijú v bahnitom prostredí, akú špeciálnu stratégiu si vyvinuli na prežitie? Samočistiaca schopnosť. Povrch lotosových listov má množstvo drobných mikroskopických hrbolčekov, ktoré pokrývajú ich povrch. Keď prší, kvapky sa na liste neroztečú a namiesto toho sa spoja do väčších kvapiek a jednoducho stečú, pričom so sebou navyše odnesú aj všetky nečistoty na liste. Tento jav sa nazýva lotosový efekt.

Podrobnejšie vysvetlenie

Vedeckou analýzou hydrofóbnych rastlín sa zistilo, že ich povrch je tvorený voskovými nanokryštálmi. Kryštály tvoria vodoodpudivú vrstvu, ktorá je zvýšená drsnosťou povrchu. Vďaka tomu je povrch superhydrofóbny a kontaktný uhol medzi listom a kvapkou vody je približne 150 stupňov (v porovnaní s uhlom vytvoreným kvapkou vody na skle, ktorý je takmer nulový).

Materiáloví inžinieri experimentujú s napodobňovaním lotosového efektu a vytvárajú povrchy, ktoré sú vodoodpudivé a majú samočistiace vlastnosti. Keďže sa materiály samočistia, znižuje sa potreba chemických čistiacich prostriedkov, čo je lepšie pre životné prostredie.

Medzi príklady inovatívnych farieb a náterov využívajúcich nanoštruktúry na povrchoch inšpirované vodoodpudivými a samočistiacimi vlastnosťami prírodných organizmov patria napr.:

• Fasádna farba Lotusan® je farba inšpirovaná lotosom, ktorá udržuje budovy čisté. Akékoľvek nečistoty na povrchu sa pri daždi jednoducho odnesú.  
• GreenShield™ je povrchová úprava čalúnnickej textílie odolná voči oleju, vode a škvrnám, ktorá využíva aj nanočastice inšpirované lotosom.    
• Spoločnosť Nanotex využíva nanotechnológiu na zlepšenie vlastností tkanín, ktoré odpudzujú dážď a sneh.
• Povrchová úprava Lotus od NASA odpudzuje nečistoty a prach a chráni tak vesmírne vybavenie.

Možné prepojenia na vzdelávaciu metodiku STE(A)M:

• Vzdelávanie v oblasti prírodných vied: štúdium adaptácie živých organizmov v reakcii na životné prostredie, resp. na ich životné potreby. Analýza výhod a nevýhod rôznych adaptácií.
• Rozšírenie vedeckého pohľadu na okolitý svet.
• Inžinierstvo, technológia, nanotechnológia: navrhovanie materiálov, štruktúr a systémov, napodobňujúcich stavbu tiel a tkanív živých organizmov.
• Udržateľnosť, ekológia: pri designovaní materiálov či konštrukcií sa otvárajú možnosti pre energeticky efektívnejšie a ekologicky šetrné riešenia inšpirované prírodnými vzormi.
• Výtvarné umenie: inšpirácia k vytváraniu umeleckých diel (príp. nových výtvarných techník) s využitím nanotechnológií.
• Vytváranie hypotéz a ich overovanie jednoduchými pokusmi a pozorovaniami.
• Vyhľadávanie, interpretácia a použitie vedeckých dôkazov na zodpovedanie otázok.
• Aplikácia učením objavených skutočností na problémy reálneho sveta.

• V minulosti ľudia nepoužívali impregnačné spreje, tak ako ošetrovali obuv pred premočením? Ako si vybrať vhodnú obuv, ktorá odolá mokru? Všetko o vodoodolných topánkach
• Je nepremokavosť to isté ako vodoodolnosť? Prečo si na túru vezmeme radšej vodoodolnú ako nepremokavú bundu? Fascinujúca veda za nepremokavosťou

• Vysvetlenie princípu lotosového efektu - video v AJ
• Hydrofóbne povrchy - materiály pre pedagógov v AJ
• Efekt lotosového listu - vzdelávacia aktivita v AJ
• Odborný článok o tom, ako rastlinné povrchy inšpirujú pre inovácie Superhydrophobic and superhydrophilic plant surfaces: an inspiration for biomimetic materials