Mengapakah Air Tidak Mudah Membasahi Daun Teratai?

Ketika hujan, air yang jatuh ke atas sesetengah daun teratai tidak merebak menjadi lapisan nipis. Sebaliknya ia membentuk titisan hampir bulat. Apabila daun bergerak atau condong, titisan itu boleh bergolek sambil membawa zarah debu dari permukaannya. Fenomena ini dipanggil kesan teratai. Keistimewaannya bukan kerana daun menghasilkan bahan pencuci, tetapi kerana struktur permukaan yang terlalu kecil untuk dilihat dengan mata kasar. Permukaan yang sangat sukar dibasahi air begini dipanggil superhidrofobik.

Permukaan yang kelihatan licin sebenarnya tidak rata

Dengan mata kasar, daun teratai suci (Nelumbo nucifera) kelihatan agak licin. Namun mikroskop elektron menunjukkan permukaan atasnya mempunyai banyak bonjolan kecil yang dipanggil papila, pada skala mikrometer, iaitu jauh lebih kecil daripada satu milimeter. Pada permukaan papila pula terdapat hablur lilin yang lebih halus, sebahagiannya pada skala nanometer. Susunan ini menghasilkan dua peringkat kekasaran, iaitu bonjolan mikroskopik dan struktur lilin yang jauh lebih kecil. Lapisan lilin mempunyai sifat menolak air, dan apabila digabungkan dengan struktur yang sesuai, air sukar membasahi seluruh permukaan daun. Kajian Wilhelm Barthlott dan Christoph Neinhuis pada 1997 menunjukkan gabungan kekasaran permukaan dengan sifat kimia bahan berlilin ialah unsur penting dalam kesan teratai.

Mengapakah air membentuk titisan hampir bulat?

Molekul air saling menarik melalui daya antara molekul, lalu menghasilkan tegangan permukaan yang menyebabkan air cenderung mengurangkan luas permukaannya. Bentuk titisan di atas sesuatu bahan juga bergantung pada interaksi antara air dengan bahan itu. Pada permukaan yang mudah dibasahi, air merebak dan titisan lebih leper, manakala pada permukaan yang sangat sukar dibasahi, titisan kekal lebih bulat. Saintis menggunakan sudut sentuhan untuk menerangkannya, iaitu sudut antara permukaan pepejal dengan garis tangen pada permukaan titisan di tempat kedua-duanya bertemu. Pada daun teratai yang superhidrofobik, sudut sentuhan air boleh mencapai sekitar 160 darjah. Namun sudut sentuhan yang besar tidak semestinya bermaksud titisan mudah bergolek, kerana itu turut bergantung pada kekuatan lekatan titisan pada permukaan.

Bagaimanakah struktur halus membantu menolak air?

Apabila titisan berada di atas daun teratai, air boleh disokong oleh bahagian atas bonjolan mikroskopik tanpa memenuhi semua ruang di antaranya. Dalam keadaan ini sebahagian ruang di bawah titisan mengandungi udara, jadi kawasan sentuhan langsung antara air dengan pepejal menjadi lebih kecil berbanding apabila air membasahi seluruh permukaan. Keadaan ini boleh diterangkan oleh model pembasahan Cassie-Baxter, yang menggambarkan titisan bersentuhan dengan gabungan bahagian pepejal dan ruang berisi udara. Model ini membantu menjelaskan mengapa titisan boleh menunjukkan sudut sentuhan besar dan lekatan rendah pada permukaan berstruktur. Namun ia pemudahan, kerana keadaan sebenar boleh berubah mengikut saiz titisan, tekanan, bentuk struktur dan cara air sampai ke permukaan. Kajian 2006 menunjukkan perubahan struktur mikro dan nano pada daun teratai mempengaruhi pembasahan walaupun komposisi kimia permukaan kekal hampir sama.

Bagaimanakah titisan air membersihkan daun?

Zarah debu pada daun teratai mempunyai kawasan sentuhan yang terhad dengan struktur halus daun. Apabila titisan bergerak, sebahagian zarah melekat pada titisan dan dibawa bersama air yang bergolek. Inilah asas pembersihan sendiri atau kesan teratai. Namun istilah itu tidak bermaksud permukaan sentiasa bebas daripada semua bahan. Keberkesanannya bergantung pada jenis kotoran, saiz titisan, keadaan permukaan dan sama ada air dapat bergerak meninggalkan daun. Bahan yang larut dalam air, minyak atau kotoran yang melekat kuat mungkin tidak tersingkir dengan cara yang sama. Sifat pembasahan juga boleh berubah apabila air terbentuk melalui pemeluwapan pada permukaan, berbanding apabila titisan jatuh dari luar. Maka kesan teratai bukan keupayaan mutlak untuk menolak semua cecair atau membersihkan semua kotoran.

Apakah kepentingan struktur ini kepada tumbuhan?

Permukaan yang sukar dibasahi dapat mengurangkan pengumpulan air dan sebahagian zarah pencemar pada daun, dan ini boleh mengurangkan keadaan yang membolehkan sesetengah zarah atau mikroorganisma melekat. Namun ia tidak bermaksud daun teratai kebal daripada penyakit atau jangkitan. Pengetahuan tentang permukaan daun teratai turut mengilhamkan bahan buatan yang menolak air, termasuk sesetengah salutan, fabrik dan permukaan yang mudah dibersihkan. Bidang yang menggunakan prinsip biologi sebagai ilham reka bentuk teknologi dipanggil biomimetik. Walaupun bahan buatan boleh meniru struktur daun teratai, prestasinya bergantung pada ketahanan struktur, jenis pencemaran dan keadaan penggunaan sebenar.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?