余姚中学“莲为何出淤泥而不染”的研究课题组(高三9班).doc

“莲为何出淤泥而不染”的研究研究时间：2009.112010.5学 校：浙江省余姚中学班 级：高三（9）班指导教师：盛文龙组 长：阮雅烨第一执笔人：阮雅烨小组成员：阮雅烨、赵 栋、周佳亮、徐璐璐、俞伊璠、葛真沁、陆亮亮、施琴儿、黄卓男、黄 旸、蔡佳彬、牛梦格内容摘要周敦颐爱莲说中的名句“莲，出淤泥而不染”，我们不禁发出疑问，莲为何出淤泥而不染？我们查阅了大量资料，了解了一些有关这方面的科学研究。我们在吸收知识的同时，思考，猜想，设计并亲自动手实验。其中验证了不少结论。当然，也有不少是我们缺少认识的。综合资料与实验结果，我们动手制作了防水布。它利用了“莲叶效应”中最实质的原因其化学成分能使布料表面形成一层似荷叶表面的长效纳米级分子保护结构，从而达到防水效果的关键。综上可知，这个活动是很有意义的。相信通过我们研究，同学们一定能对“莲为何出淤泥而不染”进一步了解。关键词莲叶、不染、防水、纳米研究过程1 确定课题，联系指导老师，初定方案；（2009.11）2 明确分工，细定研究方案；（2009.122010.1）3 上网查阅资料，对我们的研究有个较全面的了解，以及思考有关问题；（2010.23）4 筹备实验；（2010.4）5 利用校园中的荷叶进行有关实验；（2010.5）6 利用“莲叶效应”的原理应用，制作防水布；（2010.5）7 整理资料，撰写结题报告。（2010.5）研究途径1因特网查询2查阅报刊杂志等3利用校园中的荷叶进行有关实验4制作防水布正文研究背景我们传诵着周敦颐爱莲说中的名句“莲，出淤泥而不染”，不禁发出疑问，莲为何出淤泥而不染？其中涉及有关生物、物理、化学问题，引起了我们这群理科生的极大兴趣，想要探一探究竟。希望通过这次研究，我们能对科学类的研究有所了解，能切身体会科学家研究的过程。并希望研究成果能加以应用，造福人类。作为理科生，我们掌握有一定的理化生知识，并通过利用网络资源和身边现有的资源（如学校中的莲叶），在老师的指导下，进行实验研究。因同学们有较强的求知欲，对此科学问题已产生浓厚的兴趣，所以相信探究的过程会十分有意义。再者，同学们都有研究性学习的经验，且都具备了较强的实践能力与协作意识。最后，更重要的是，通过这次研究性学习，对于我们拓展知识，提高社会活动能力，培养团队合作精神等大有裨益。而这一切都将使得这次研究性学习活动十分具有意义。步骤一查阅有关资料，整理信息一、 莲“出淤泥而不染”的现象周敦颐在爱莲说中写着：“水陆草木之花，可爱者甚蕃。晋陶渊明独爱菊。自李唐来，世人盛爱牡丹。予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖，中通外直，不蔓不枝”。由于莲叶表面总是能保持洁净不染，因此自古以来，莲花被中国文人形容为花中君子；在佛教中又常以莲叶图案做为圣洁象征。而莲叶是怎么做到“出淤泥而不染”的呢？注：来自互联网莲叶上的水珠会将灰尘带走二、 “莲叶效应”的本质莲叶效应其实是一个很常见的现象，几乎人人都有看过，只是不知道莲叶效应是什么意思。1997年，德国波昂大学的植物学家巴斯洛得教授进行了一系列实验，发现莲叶物理结构、化学组成与表现出疏水、自洁性间的关系，因此创造了“莲叶效应”（Lotus effect）一词。莲叶表面的这种疏水性和自我清洁（self-cleaning）现象，由于是从莲叶上发现的，因此又叫做“莲叶效应”。以下就莲叶的疏水性与自洁性分别讨论1、疏水性注：来自互联网电子扫描显微镜“看”到的荷叶表面注：来自互联网莲叶效应主要是指莲叶表面具有超疏水以及自洁的特性。由于莲叶具有疏水、不吸水的表面，落在叶面上的雨水会因表面张力的作用形成水珠，当水与叶面的接触角大于140度，水珠就会滚离叶面。因此，即使经过一场倾盆大雨，莲叶的表面总是能保持干燥。物质的疏水性主要由表面张力（或表面能）决定，杨格提出的方程式（Youngs equation），固气体表面张力越低，与水接触角越高。若接触角90，则固体是疏水的，即液体不润湿固体，容易在表面上移动，不能进入毛细孔。而莲叶表面的化学组成蜡。水在一般石蜡上的接触角约110，但是，我们由接触角的实验结果发现，水在莲叶上的接触角高达160的超高疏水性。这是因为莲叶，除了含有化学的疏水组成蜡外，此外， 在电子显微镜下，莲叶的表面有大小约515微米细微突起的表皮细胞，这些细微的结构使莲叶表面变得粗糙。粗糙的结构让接触角上升原因有两个，第一是由于起伏的结构中会包含了空气成分，可以贡献部份低表面张力与高接触角功能。第二是粗糙结构增加了整个水与莲叶接触面积，因此表面张力变低，让水在莲叶上的接触角变成约160，这么大的接触角，可以让雨水轻易的滚动。电子扫描显微镜“看”到的荷叶表面2、自洁性 主要构成因素是超低表面能特性，所谓表面能即是莲叶表面与外在物质如空气、水、脏污等之间吸引力，表面能越低吸引能量小，外在的物质就好像轻轻的附在莲叶上，很容易被移除，反之越高，就越像胶水黏在一起，不容易去除。在电子显微镜下，莲叶的表面有大小约515微米细微突起的表皮细胞，上层覆盖著一层直径约1奈米的蜡质结晶。蜡质结晶具有疏水性，所以当水与这类表面接触时，会因表面张力而形成水珠，再加上叶表的细微结构之助，使滚动的水珠会顺便把一些灰尘污泥的颗粒一起带走，达到自我洁净的效果，这就是莲花总是能一尘不染的原因。三、 科学家利用“莲叶效应”德国Bonn大学的那两位植物学家，在弄清楚了荷叶的微观机构和自清洁机制之后，说服了一家生产外墙涂料的公司，合伙研制了一种自清洁外墙材料。建筑物的外墙，特别是高层建筑物的外墙采用疏水疏油的涂料可实现自清洁，大大地节约了清洗所耗费的人力物力。此后，科技界不仅继续着人造纳米荷叶表面材料本身的研究，同时也很重视它们在工业和生活中的广泛应用。今天，这类材料在生物技术领域可用来控制含有生物功能分子的液滴以及减少污染物。纺织领域中的自清洁超疏水性纤维可以制成免洗的衬衣、领带等。工业上超疏水表面材料对水和油可具有相反的润湿性，从而可将水和油分离；还有用作微过滤等等用途。用溶胶-凝胶和自组装工艺，很容易在玻璃上制备一层透光的二氧化硅基纳米膜，透光率超过90%，而反射率低于10%，水的接触角可达到165度，在透光、抗反射、低温加工、避免雾化和其它要求有超疏水性的玻璃窗方面有着多种用途。卫星天线表面，超疏水表面可以防止沾雪，减少甚至避免对于通讯的干扰。对于冬天下雪地区房屋的玻璃窗以及汽车的挡风玻璃，这种不沾雪的性质大有好处。步骤二根据资料对“莲叶效应”的原因进行猜想，设计实验并进行探究实验一：观察莲叶的生长环境，观察莲叶表面现象实验结果：发现莲叶生长在淤泥中，但却出淤泥而不染。荷叶光洁的表面与旁边污浊的水形成对比。而且我们发现，荷叶上的水珠晶莹剔透，并非平摊于荷叶之上，而是成椭球形，有一种快要掉下来的感觉。实验二：用各种器材观察莲叶表面之构造先用手摸莲叶的表面再用放大镜观察莲叶表面用显微镜观察莲叶表面实验结果：用手触摸荷叶上表面，质地较粗糙注：来自于同学手绘注：拍摄于实验室显微镜下注：拍摄于实验室显微镜下 用放大镜能观察到荷叶上表面有众多白色颗粒结构 在显微镜下能观察到其上表面众多黑色颗粒，从横切面角度来看，黑色颗粒为三角形乳状突起：尖端为无细胞结构的蜡质层，中部、后部为细胞结构，乳状突起大多与叶片表面呈120-160度不等的角度 实验三：比较水珠在莲叶、其它叶片上的现象用滴管滴水在莲叶及其它叶片上，并观察比较。调整不同角度，观察水珠滚落速度。注：同学拍摄实验结果：发现水珠一颗颗圆滚滚的在莲叶上滚动，像露珠；水滴在其它树叶片上时会散开，不会形成水珠。莲叶较之其它树叶具有疏水性。实验四：观察比较灰尘在莲叶、其它叶片上的现象利用自制的灰尘细砂，洒在莲叶与其它树叶片上，再用滴管滴水珠，观察灰尘在叶片上之现象。实验结果：在叶面上撒上细砂，用滴管滴水，水珠包裹细砂滚落后不留痕迹，荷叶表面洁净如初，有自洁功能；其它树叶片不会。莲叶较之其它树叶有自洁功能。步骤三制作防水布制作步骤：取两块尼龙布，标号为A、B，分别清洗晾干，备用。取B尼龙布，平放于桌面上，均匀喷洒“纳米衣盾”（其化学成分正是能使布料表面形成一层似荷叶表面的长效纳米级分子保护结构，是达到防水效果的关键）。自然晾干后（勿暴晒），用电熨斗设定温度档无蒸汽熨烫即可。取A尼龙布，用电熨斗设定温度档无蒸汽熨烫即可。分别在A、B尼龙布上滴水，观察表面现象利用不同布料，进行上述操作。结果：A尼龙布上水珠不易形成，或是平摊分散，或是渗入布料内部B尼龙布上水珠成椭球形，易滚落，不易渗入布料，将布料抖动后，水珠自然滚落，尼龙布光洁干燥如新。当使用纤维孔较大的布料时，防水布不易制成。因此应选择表面纤维孔细小的布料，如尼龙布，制作防水布效果最佳。研究体会这是我们第二次非常正规地进行研究性学习。第一次的研究性学习已使我们拥有研究性学习的经验，且都具备了较强的实践能力与协作意识。在整个研究过程中，组员之间分工明确，团结协作，齐心协力，各司其职，使得活动进行得很顺利。所有组员都一致认为，这次研究性学习使我们获益匪浅。总的来说体现在如下几个方面：1. 使我们切身体会到了合作的乐趣，既轻松又高效。2. 做好一件事是需要用心投入的。一份耕耘，一份收获。3. 这次研究性学习，让我们体会到了进行科研工作的艰辛，科技成果更是十分有用。在本次活动中，我们要特别感谢盛文龙老师的指导！后记对本次活动的认识：1. 积极性：不仅能有效帮助同学们了解“莲出淤泥而不染”的原因，还利用了“莲叶效应”的原理，我们动手制作了防水布，算是一项切实有用的成就。而且在研究过程中培养了我们的探究精神，巩固了我们的理论知识。2. 局限性：因研究时间的不连续性，难免会导致研究的严谨性欠缺。加之调查范围小，调查内容宽广，难以一一涉及。加之硬件设备有限，我们不能进一步地深入研究。归结上述利弊，我们需要吸取经验教