奈米通訊NANO COMMUNICATION 22卷 No.4

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隱匿於蓮花中的超疏水現象

達爾文說「物競天擇，適者生存」，自然界中的生物

體在進化的過程中，已經完成了智能操作的本領，且諸

多特性也已達到近乎完美的程度，其中對於蓮花能出淤

泥而不染則是經常被拿來討論的奈米現象之一。一般來

說，當液滴與表面的接觸角大於 150° 時，則可稱此表

面為「超疏水表面 (Super-hydrophobic Surface)」。科學家

也觀察到蓮葉表面具有超疏水的特性，即落在葉面上的

雨水會因表面張力的作用而形成水珠，如 (圖 1)所示，

而且只要葉面稍微傾斜水珠就會滾離，因此再經過一場

傾盆大雨後，蓮葉的表面總是能保持乾燥。此外，滾動

的水珠也會將一些灰塵污泥的顆粒一起帶走，以達到潔

淨的效果，這也就是蓮花總是能一塵不染的原因。

雖然世人對蓮葉的特性並不陌生，但真正有系統

地研究與分析是在 1997年德國波昂大學的植物學家 W.

Barthlott 和 C. Neinhuis [2]，他們利用高解析度電子顯

微鏡觀察蓮花葉子的表面，發現了蓮葉表面的超疏水

性 (Super-hydrophobicity)與自我潔淨 (Self-cleaning)的

關係，因此創造了蓮花效應 (Lotus Effect)一詞，從此以

後，蓮花效應就成了奈米科技最具代表性的名詞。

從巨觀的角度觀察蓮葉，或許跟其它植物的葉子沒

有特別不同的地方。但是若從微觀上來觀察蓮葉表面的

物理結構及化學組成時，會發現蓮葉表面具有大小約 5

~ 15 μm細微突起的表皮細胞 (Epidermal Cell)，在表皮

細胞上又覆蓋著一層直徑約 100 nm盤交錯結的蠟質結晶

(Wax Crystal)，如 (圖 2)所示。而此蠟質結晶本身的化

學組成，為一疏水性的碳氫化合物，所以當水與這類的

表面接觸時，會因表面張力小而形成水珠。若再加上葉

面的細微結構，則可使水與葉面的接觸面積更小，同時

也降低了污染顆粒對葉面的附著力。隨著蓮葉表面的粗

糙度，使得液體所接觸的表面為一葉面和空氣的混合介

隱匿於蓮花中的超疏水現象陳紘珉國家奈米元件實驗室／奈米元件組

圖 1　 蓮葉表面的超疏水現象 [1]。

圖 2　 (a) 蓮葉表面的細微結構 ;(b) 葉面的表皮細胞 ;(c) 表皮細胞

上的蠟質結晶 [2][3]。

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面。且因空氣被保留在突起物間的底部，所以液體與粗

糙孔隙間的空氣無黏著濕潤的現象，因此外在的污物或

液體將無法完全沾附於蓮葉上。同時，被侷限在這奈米

粗糙層中的空氣，其情形猶如在蓮葉表面形成一層氣墊

(Air Cushion)，而污物或液體是由空氣所支撐著，因此能

減少與蓮葉間的吸附力量。當水滴由葉面上滾過時，由

於灰塵和水滴間的接觸面積大，使得灰塵粒子和水滴間

有較強的吸附力，所以極易被水滴帶走，這也就是蓮花

為何能出污泥而不染。由此可知，蓮葉表面因同時擁有

微米和奈米級的物理結構 (粗糙結構 )與疏水性的化學組

成 (低表面能 )，所以造就了自身的超疏水特性。

目前對於表面「粗糙結構」的製作方式很多，而最

常見的方法有 (1)溶膠 -凝膠法 (Sol-Gel) [4]：有機矽烷氧

化合物經水解、縮合後會形成大小不同的奈米粒子，將

其塗佈於基板材料上，經烘乾後即形成粗糙的表面，如

(圖 3)所示，此法可藉由改變反應條件來控制生成粒子

的大小，但因製程複雜度較高、時間較長，使其不易有

效控制。(2) 電漿法 [5]：此法是藉由離子撞擊基板材料而

形成緻密且連續的粗糙表面，如 (圖 4)所示，倘若所選

擇的氣體為含有低表面能之物質，則可直接得到超疏水

表面。(3) 微影法 (Lithography) [6]：先將基板材料覆上一

層光阻 (Photoresist, PR)，接著蓋上事先成像之光罩來進

行曝光，再經顯影後，基材表面之微結構圖案即形成，

如 (圖 5)所示，而此法多被採用來製作出各式各樣的粗

圖 3　 利用 Sol-Gel法所製作的超疏水表面 [4]。

圖 4　 利用電漿法所製作的超疏水表面 [5]。

圖 5　 利用 Lithography法所製作的超疏水表面 [6]。

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隱匿於蓮花中的超疏水現象

糙表面。

至於「低表面能」方面，氟 (Fluorine, F)是降低材料

表面能中最有效的元素，因為它有最小的原子半徑與最

大的電負度，若是氟與碳 (Carbon, C)能形成穩定的共價

鍵，則將會致使材料表面擁有低表面能的性質 [7]。而從

E. F. Hare等人 [8] 的研究可得知，若用 F來取代 C、H等元

素，則會降低材料的表面能，且大小依序為： -CH2 > -CH3

> -CF2 > -CF2H > -CF3，其中表面上的 -CF3 官能基會形成六

方最密堆積，這將可提供材料有低表面能的性質。

近期奈米元件實驗室報導了一種二階奈米結構 (奈

米草 -奈米柱 ) [9]，如 (圖 6)(圖 7)所示，主要是利用電

子束微影製作奈米柱 (Nanopillar)圖案，加以氫電漿蝕刻

技術將奈米草 (Nanograss) [11][12] 均勻的蝕刻於奈米柱圖案

上，最後再以熱蒸鍍 F13-TCS或 CHF3電漿處理來降低此

二階 (Two-tier)奈米結構的表面能，且由實驗得知，其接

觸角可高達約 169°。此一結果更可間接驗證，藉由模

仿蓮葉表面的仿生結構，若能同時擁有粗糙的物理結構

與低表面能的化學組成，即可造就它自身的超疏水特性。

參考資料

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/蓮花效應

[2] W. Barthlott, and C. Neinhuis, Planta, 202, 1-8, 1997.

[3] T. Sun, L. Feng, X. Gao, and L. Jiang, Acc. Chem. Res., 38,

644-652, 2005.

[4] N. J. Shirtcliffe, G. McHale, M. I. Newton, and C. C. Perry,

Langmuir, 19, 5626-5631, 2003.

[5] J. P. Youngblood, and T. J. McCarthy, Macromolecules, 32,

6800-6806, 1999.

[6] D. Oner, and T. J. McCarthy, Langmuir, 16, 7777-7782,

2000.

[7] T. Nishino, M. Meguro, K. Nakamae, M. Matsushita, and Y.

Ueda, Langmuir, 15, 4321-4323, 1999.

圖 6　 在二階奈米結構上的 8 µL水滴 [9]。

圖 7　 奈米草 -奈米柱二階奈米結構 [10]，(a) 上視圖，scale bar =

100 nm；(b) 側視圖，scale bar = 1 µm；(c) 高倍率側視

圖，scale bar = 100 nm。

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[8] E. F. Hare, E. G. Shafrin, and W. A. Zisman, J. Phys. Chem.,

58, 236-239, 1954.

[9] J. Shieh, F. J. Hou, Y. C. Chen, H. M. Chen, S. P. Yang, C. C.

Cheng, and H. L. Chen, Adv. Mater., 22, 597–601, 2010.

[10] J. Shieh, S. Ravipati, F. H. Ko, and K. (Ken) Ostrikov, J.

Phys. D: Appl. Phys., 44, 1-6, 2011.

[11] M. C. Yang, J. Shieh, C. C. Hsu, and T. C. Cheng,

Electrochem. Solid-State Lett., 8, C131-C133, 2005.

[12] J. Shieh, C. H. Lin, and M. C. Yang, J. Phys. D: Appl.

Phys., 40, 2242-2246, 2007.