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扫描电子显微镜

Scanning Electron Microscope

 
 
 
 
 

日志

 
 

扫描电子显微镜研究荷叶的突出特点,超级疏水性  

2013-02-16 22:41:34|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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Hans J. Ensikat1 , Petra Ditsche-Kuru1, Christoph Neinhuis2 and Wilhelm Barthlott1
1Nees Institute, University of Bonn, Meckenheimer Allee 170, 53115 Bonn, Germany
2Institut für Botanik, Technische Universit?t Dresden, Zellescher Weg 20b, 01069 Dresden, Germany

编辑翻译:驰奔  

摘要
       荷叶已经变成表面超级疏水性和自洁净的标像,形成了“荷叶效应”概念。尽管其他许多植物有几乎相似的接触角超级疏水表面,但荷叶显示了更好的稳定性和更加完美的拒水性。这里,我们比较诸如微米和纳米结构的相关特性,蜡状物质的化学成分,及荷叶相对其他疏水植物的机械性能。荷叶的上表皮进化为极其优化的特点很快会变得显而易见。乳头状突起的特别形状和密度是极度减小表面和液滴接触角的基础,非常小管状蜡质的异常致密层是由于其独特化学成分。乳头状突起的机械稳定性和蜡质纳米管减少表面损害,是完美耐久拒水的基础。荷叶,特别是上表面的最优化,可以从气孔在上表皮的事实来推断。这里,下雨和污染对其影响相对下表皮气孔要高得多。荷植物已经成功的进化成为精致上表皮气孔表面有极好的防护。

关键词:角质层蜡 叶面 荷叶效应 乳头状突起 疏水性


引言

       由于“荷叶概念”在1992年引入,荷叶成为植物表面超级疏水和自洁净特性的原型,成为工业仿生的模型。荷花是半水生植物,进化成大到直径30厘米,带有非凡防水性的盾形叶。因为水生环境的适应,有些叶子或者也漂浮在水面,从而气孔位于上表皮。下表皮由覆盖蜡质纳米管的突状细胞,包含少量气孔组成。上表皮特征是与众不同的分层结构,包含致密蜡质纳米管图层的乳状突起,是著名超级疏水性的基础。图1
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图1: (a) 荷叶, 上表面展示了特别的拒水性 (b) 叶子上面的扫描电镜图像,样品制备使用甘油置换干燥,显示包含乳头状突起、蜡质聚集和蜡质小管  (c) 叶片上表皮的蜡质小管. (d) 临界点干燥的叶片上面,蜡质纳米管被溶解,因此气孔更明显,样品倾斜角15° (e) 临界点干干燥的叶片下表面,显示没有气孔的突起状细胞。

然而,包含强大拒水性和150°接触角的分级表面结构不是荷叶的专门特征。很长时间以来,它的防水性被认为是由于表面覆盖角质层蜡晶体,当上表皮有额外的结构诸如乳头状突起和绒毛,防水性增强。Neinhuis and Barthlott (1997)提供了一个超过200种接触角大于150°的植物表面形态总览。在许多研究当中,比较了荷叶和那些其他超级疏水植物的特征,已经显示荷叶上表皮的优越性。测定可湿性或者拒水性的标准工具是通过悬滴法对静态接触角度的测量,比如,Neinhuis and Barthlott (1997)测量的荷叶接触角为162°,在比较物种最高接触角之中,而且大约43%的其他被测的超级疏水性植物显示的接触角在160~163°之间。甚至,有些上表皮带有致密角质层蜡细胞平坦物种表现的接触角也大于160°,例如甘蓝或者一些桉树。因此,单一的接触角不适合比较区分疏水样品。其他如接触角滞后或者倾斜角更清楚的显示不同物种间差别。Mockenhaupt et al. (2008) 在冷凝湿度条件下,比较了各种植物疏水倾斜角和稳定性。当样品冷却到5摄氏度,水蒸汽凝结在样品表面,只有荷叶表现为没有明显损失防水性。Wagner et al. (2003) 检测了表面结构形态和用各种表面张力的液体,如甲醇-水混合物,测试防水性。他们报道,荷叶相对其他物种具有最好的防水性。他们同时描述了乳头状突起的独特形态和密度(单位面积的数量) 。通过X射线衍射仪的化学分析和晶体结构分析显示荷叶角质层蜡的独特性。高含量二十九碳烷二醇导致高熔点同时强烈晶体结构强烈被干扰,这是形成纳米小管的基础。使用冷冻扫描电镜,使叶子和水滴之间接触区的可视化,表明荷叶极其缩小的接触面积。Zhang et al. (2008) 对有乳头状突起的荷叶表面及没有乳头状突起的叶子边缘的拒水性做了详细的比较测试。 Cheng et al.(2006) 证明纳米尺度蜡晶体对防水性的重要性 ,他们报道,蜡融化后,接触角极度减小。  Zhang et al. (2009)报道,荷叶在水下50cm保持2小时,荷叶具有一定空气保存能力。 Bhushan et al. (2010)使用荷叶表面结构为模型,发展了人造仿生疏水结构。

显而易见,荷叶显著和稳定的疏水性依靠最佳特征的组合,如表面形态、稳健性和独特的角质层蜡。这篇文章的目的是综合荷叶相关特征,和其他带有疏水叶子的植物种类进行比较,说明他们的意义


结果与讨论:

  荷叶的特性

荷叶显示一种显著的拒水性特别是接近中心的上表面,相对下侧,对于机械损伤,它有更高强度,更小的敏感性。这些优越特性的可以归因于带有最佳微米、纳米几何结构和角质层蜡独特化学成分的组合。 下面的部分阐述并这些特性,并与其他疏水叶子的这些特性做比较。

水-叶子接触面积最小化:叶子上测的表皮细胞形成带有独特形状不同高度的乳头状突起。乳头状突起的直径比表皮细胞小的多,每个突起的顶端不是球形而是形成尖顶拱。如图2

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 图2,带有乳头状突起的荷叶的上表皮细胞,表面覆盖着致密的蜡质纳米管。  (a) 冷冻干燥后的扫描电镜图像(b) 镶嵌样品的超薄切片,光学显微镜图像,假设接触角>140°, 比如,在乳头状突起和水之间的异质接触面积相比上皮细胞面积小得多。

整个表面覆盖短的蜡质纳米管,通常聚集成簇。同其他有乳头状突起的植物表面比起来,荷叶有最高的突起密度,但荷叶突起有小得多的直径,减小与水滴的接触面积;严格地说,是表面和水的异质接触面积。接触面积取决于表面疏水性和水压或动能或撞击水滴的速率。 在低压下, 由于水滴精致或者滚动,接触面积由那个部位表面结构的接触角决定。由于突起上覆盖蜡质纳米管,可以假定超级疏水性表现为局部接触角 ,这样,接触面积直径可以通过扫描电镜图像和所选样品的截面估算。如图

最小化的接触面积是很低附着水的基本原因,因此很小滚动角。其他植物叶子上的突起,与荷叶的比较,有很大的直径和顶圆半径,覆盖不同类型蜡质,蜡盘或蜡膜,比蜡质纳米管的拒水性低得多。

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图3:荷叶的突起表面扫描电镜图像  (a), 番樱桃大戟(b), 芋 (c), 海芋 (d). 荷叶

不同高度的乳头状突起进一步降低液滴和叶子表面的附着性(图4)。小的静止或滑行的水滴只接触最高的突起。在更高的压力下,例如雨滴的撞击,水浸入突起更深(图4a),在静止的疏水的蜡质纳米管涂层上形成弯液面。不沾湿的液滴表面的变形是由于表面张力造成斥力。当水压力减小,或者移动水滴的一侧后退,或者水滴离开叶子表面,接触面积减小,乳头状突起一个接一个的释放它们和水的接触(图4b,4c),因此只有少数突起同时和水滴粘接。最后,在水滴和叶子脱离接触前,只有少数突起仍然保持接触,引起一个很小的粘结力。与之比较,等高柱状突起人工超级疏水样品,在水滴回缩期间,导致更强的粘结力,这时,所有柱状突起,在接触打破前,同时保持粘结状态(图4)。超级疏水突起模型和水滴之间的粘着和斥力如图5所示。

[2190-4286-2-19-4] 
图4:不同水压下水和超级疏水突起之间的接触。在适度压力下,水浸入到突起之间的空间,但在水和表皮细胞之间保持一个空气层(a)。超级疏水突起表面引起斥力,这时水后退,于是水和突起,相继丧失接触(b、c) 在一定水压下,弯液面是平的,粘着力和斥力平衡。等高柱状突起人造超级疏水结构(d)

[2190-4286-2-19-5] 
图5:在水滴前进后退过程中,测试超级疏水突起模型和水滴之间的力。图像和图表中箭头保持一致 ,显示斥力a和粘着力b,中性力c。突起模型用扫描电镜表征。

接触角的测量对于疏水性测定是标准度量工具。但很高接触角的测量常常不精确,缘于水滴确切形状方面的测定十分困难,特别是面对不平坦的叶面。对于许多超疏水图层植物表面,接触角相互之间非常接近,以至于误差比不同样品之间的差别还大。这也许妨碍有意义的比较。一个斥水性更可区别的比较已经通过,当水滴回缩时,叶面和水之间的附着力的测定实现,类似图5显示的测量。 表1 显示,除了其他相关特性之外,水滴,在新鲜荷叶表面的最大附着力,带有完整蜡质层的其他物种叶子表面的最大附着力。附着力强烈依赖引起水滴阻塞的表面缺陷。与之比较,前进接触角和表面的不规则弱相关。因此,附着力数据更好的和后退接触角和滞后相关联, 表面疏水性表面的完美或缺陷。

表1:荷叶和其他选择的物种之间斥水性的比较
  荷叶
(上侧)

香芋
(上侧)

樱桃大戟
(上侧)
海芋
(下侧)
甘蓝
(上侧)
突起密度 (per mm2) 3431 2662 1265 2002 0
接触角(静止) 163° 165° 162° 157° 161°
水滴附着力 (微N) 8–18 28–55 30–58 90–127 7–48
蜡质类型 tubules platelets platelets film on cuticular folds rodlets and tubules
蜡质融点 (°C) 90–95 75–78 75–76 n.a.b 65–67
主要成分  C29-diols C28-1-ol C26-1-ol n.a.b C29-ketones, C29-alkanes
aprovided by D. Mohr, Nees Institute, Bonn; bthe wax film of A. macrorrhiza has not been isolated and analyzed; no data available.


通过突起对蜡质晶体的机械防护:当水滴仅仅接触角质层蜡的尖端,发生最高的拒水性。因此,发现最好的性质在表皮细胞上带有完整蜡质晶体涂层的叶面上(图6)。然而,蜡质是相当软的材料,因此老叶子常常显现蜡质被侵蚀和损伤的斑块(图7),造成附着力增加。 Neinhuis and Barthlott (1997) 已经报道过突起保护它们之间的蜡质晶体。有突起的上表皮细胞,只有在突起尖端的蜡质被损伤,而在突起之间的蜡质保持完整(图7a,7b)。因此,荷叶保持拒水性直到一生结束。与之比较,没有突起的甘蓝和丝兰表面(图7c,7d)常显示大损伤区域,造成更强的水阻塞。防护性能的功效可以通过手指擦拭叶面很容易检测,只破坏突起尖端的蜡质(图8a,8b),但叶子保持疏水性。 在表面没有突起的情况下(图8c),蜡质物被彻底破坏,丧失了疏水性,接触角由160度减小到130度。带有突圆表面细胞的叶面(图8d),大部分蜡质晶体被破坏,接触角从150度下降到110度。

[2190-4286-2-19-6] 
图6:

[2190-4286-2-19-7] 
图7

[2190-4286-2-19-8] 
图8:

保护荷叶表面能力的基础是与密度结合的叶子突起的机械稳定性。断面(图9)显示 ,与在许多花瓣表面发现的突起细胞相对照,他们几乎是巨大的,至少在顶尖部分。然而,其他疏水叶子突起显示不同的结构:
[2190-4286-2-19-9] 
图9:通过荷叶突起的断面扫描电镜和光镜图像(a、b) 番樱桃大戟(c,d) 具有差不多的巨大突起, 海芋 (e,f)具有相对厚的外壁;香芋的表皮细胞有薄壁(g、h)。b中的箭头标记一个气孔 

荷叶蜡质的特性

荷叶的上侧和下侧都覆盖着蜡质纳米管。但是,随着在扫描电镜图像中可被看到(图10a,10b),两面的蜡质物看起来很不一样。下侧的蜡质管更长(1~2微米)更粗(150nm),典型的二十九醇管,通常发生在许多植物物种中。比较起来,上侧的蜡质小管很短(0.3~1微米)很细(80~120nm),且密度很高。图10显示,在一个明确的区域,上侧大约200根小管每10平方微米,而下侧只有63根小管每10平方微米。荷叶上侧小管之间的间距比其他蜡质晶体要小的多,如片晶(10c,10d)和其他管状蜡质(10b、10e、10f)。在疏水蜡质晶体之间的这些距离决定毛细管压力。
[2190-4286-2-19-10] 

图10:在4 × 3 平方微米面积上的角质层蜡

蜡质的化学分析给出不同特性的解释。已知荷叶角质层蜡包含高比例的二十九碳烷,但早期的分析由全部叶子的蜡质组成,由三氯甲烷提取,并包含角质层内的油脂。分别从两面(图11)分离的蜡状物单独的新分析显示,上侧的蜡质包含65% various nonacosanediols 和仅 22% nonacosan-10-ol, 而下侧的蜡质包含nonacosan-10-ol (53%) 和仅15% of diols, 连同18% of alkanes. 剩下的13% and 14% 没有鉴定出。[2190-4286-2-19-11] 

图 11:

高含量的nonacosanediols给荷叶上侧提供非凡的性能。90~ 95 °C的融点对于一般蜡状物来说是非常高的,表明在晶格内的氢键影响,增加了稳定性。 具有相似链长的不同脂肪族蜡质成分的比较显示融点随着OH基团的极线的出现而增加。最近,由Coward(2010),使用红外傅立叶光谱测试二十九醇蜡质中的牢固的氢键效果,对晶体结构的影响甚至更强。 尽管二级醇在分子中包含极线OH基团,作为结果的蜡质纳米管具有众所周知的强烈特点和相对稳定的拒水性,特别是荷叶的二醇。这似乎自相矛盾,但X射线衍射分析(图12)是与一个OH基团深埋其中的层状结构模型一致,而层表面仅由非极线甲基团构成。与之对照,一级醇,存在于许多片状的角质层蜡中,如果它们和极面环境如水接触,在表面上出现OH基团。Holloway (1969)研究疏水性和不同植物蜡质、纯蜡质成分与水的接触角,他发现在表面出现甲基团的脂肪族蜡具有最高的接触角。 [2190-4286-2-19-12] 
图12: 上侧荷叶蜡质的X-ray衍射图. 长间隔峰表明通常在脂肪族蜡状物种的层状结构。
[2190-4286-2-19-13] 
图13:由nonacosan-10-ol and nonacosanediol molecules组成的蜡质纳米管模型, OH基团(红) 占据额外的空间,因此致密的包裹被扰乱,层被迫变成弯曲,导致形成小管。极面OH基团隐藏在层中,只有CH3基团显露在小管表层表面。

根据层状结构模型,小管强烈被螺旋形生长的层弯曲。而直线的长链烷烃分子形成平坦的层和规则的片状晶体,二级醇和酮类携带抑制分子包裹的横向氧原子。因此作为结果的层强烈弯曲,形成带有圆截面的小管(图13)。今天,分子动力学模拟的进展使得计算和水接触的纳米结构表面行为,精确模仿天然拒水表面,测定准确的化学成分和分子结构成为可能。

抵抗环境压力

荷叶上侧的卓越超级疏水性特征是几个独特的最优化的结果。于是问题出现,是否这个发展有一定原因,或者是否它与众不同。在大多数植物上,叶子的下面,或者更准确的说,这些带有气孔的侧面,显示最高的疏水性。显然,疏水性充当保持气孔干燥的防护作用。在一些物种上,只有气孔周围的细胞上覆盖这蜡质晶体。这和荷叶上表皮带气孔的事实相对照,拥有更高拒水性的上表面可以承受有气孔。叶子的上表面强烈暴露在环境冲击下,如降雨、污染的沉积。很明显,保持一个大叶子上表面干燥洁净,比下表面或表面垂直生长的叶子,具有更大的挑战。在大多数植物上,叶子上表面没有气孔,比下表面更结实。因此,荷叶极端的稳定的和持久的拒水性,持续到秋天它的一生,好像成功进化为对水生环境的适应,导致气孔的位置在叶面上侧并通过专门的表皮结构发展了有效防护。

对于一个稳定的超疏水—-那意味着表面和水之间只有部分接触——必须避免水浸入表面结构之间。当空气层被水取代,疏水性丧失,表面变湿。把水压入疏水结构之间的压力取决于固定接触角和空气层的空间尺寸。这个压力(毛细管压)与疏水结构间的空间尺寸成反比,可以从拉普拉斯方程推断出来。由于空间不规则,可以粗略估计。 半径小于100nm的水滴也许能够侵入蜡质小管之间,这个曲率与拉普拉斯压力曲线相符合。 Varanasi et al. (2009) 计算了那些结构尺寸与荷叶大致相似的疏水样品的毛细管压:乳头状突起间隔为5微米的毛细管压是120mbar; 90nm孔径的纳米多孔结构有1.6MPa。因此,乳头状突起间距为10微米的荷叶毛细管压力足以支撑起静止或滚动的水滴。但冲击的雨滴产生更高的脉冲压力,可以侵入突起之间的空间。液滴撞击刚性材料的最大压力可由水锤方程计算pWH = 0.2 ρ·c·v,  ρ 液体密度, c是声音在该液体中的速度, v是液滴的速率。 Varanasi et al. (2009) 计算了速率为3m/s的雨滴的水锤压力为0.9MPa。然而,液滴撞击柔性物体表面产生相当低地多的压力。 因为荷叶蜡质小管之间小的空间和它们强烈的疏水性,它们的毛细管压力比雨滴的撞击压力要高的多,足够防止水侵入。然而,是否其他蜡质结构  更大的空间引起雨滴侵入是未经证明和假设的。冲击液滴对蜡状物质的机械损伤很可能是拒水性退化的原因。

荷叶作为生物学模型对发展专门的疏水性材料起到启发作用。于是,引起问题,是否荷叶显示一种最佳的疏水性结构。在生物的表面,可以发现几种不同的的进化对策。很大程度上减小接触角的荷叶看起来对于水和污染的粘着是最理想的,可见小碾压角。缺点是,对于大多数技术应用,相对软的蜡质材料, 太容易碎。在一些带有多毛的叶子表面发现了不同的体系结构。The water fern and Pistia stratioides 叶子,当浸没在水中时,在疏水绒毛之间保留相当厚的空气层。这提供足够的浮力,避免长期浸没在水中。尽管超级疏水图层的叶子,当它们浸没在水中,保持一个空气层,但他们天生不是长期在水下生活的。所有永久在水下的植物表面没有疏水蜡质,是亲水的。在水下,永久保留空气的疏水表面在一些动物身上发现,如一些鸟,蜘蛛和昆虫。例如,发现仰泳蝽表面,具有出色的保留空气能力。这里的拒水性是由一个二级结构创建,粗毛可以保持一个相当厚的空气层,极细的多毛确保高的毛细管压力。适用于这些结构的生物聚合物具有比蜡质高的多的强度的优势。另一方面,植物表面具有对损伤和丧失蜡状物质的再生能力

       结论:

确实,荷叶在其叶子上侧显示出色的拒水性。这种特性的基础是分级的表面结构。与其他由突起和蜡质晶体组成的分级表面结构的物种比较,荷叶显示一些它的特性特殊的最优化。突起的形态学,尤其小的顶端半径,不仅和水滴最小化的接触面积,而且蜡状物的腐蚀和损伤发生在这里。突起的稳健性确保防护它们之间的蜡质晶体。 价值层蜡的化学成分导致形成很小的蜡质小管,带用永久的疏水表面。这些特征的独特组合给荷叶提供无与伦比的超级疏水性和自洁净特性,同时对上表皮带气孔的表面起到有效防护。

实验:

除了数据来自文献,为这文章发表给提供一些新的材料检测。 植物叶子从植物园,波恩大学采摘

扫描电子显微镜,使用剑桥 Stereoscan S-200型。针对样品特性,采用不同的样品制备方法。新鲜含水的样品采用缓慢干燥的叶子检测。其他物种采用临界点干燥或冷冻干燥。空气干燥样品用于角质层蜡的高倍图像观察。薄片样品的准备按照透射电子显微镜的标准方案:戊二醛固定,丙酮脱水,环氧树脂镶嵌,0.5微米厚度薄片快速染色用于光学显微镜观察。

蜡质样品化学成分分析使用‘cryo-adhesion’方法机械分离。

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