“表面”文章大有可為

松園

鴨子有一身不沾水的羽毛，這是因為它們的羽毛上有一層油；荷花能“出污泥而不染”，荷葉可將水滴抖落得干干凈凈，這是因為其外表覆蓋著一種像蠟一樣的物質，科學家們稱這種表面為“拒水表面”。

荷葉的拒水表面上布滿“小包”，它們緊緊地挨在一起，形成了一個針對于葉面的“保護層”。你可以將那些“小包”想象成無數撐開的“雨傘”，“雨傘”的下面形成了一層極薄的“氣墊”。當雨滴落下時，“氣墊”中的空氣并沒有排出去。由于“小包”間的距離非常小，空氣讓雨滴無法穿過縫隙進入到真正的葉面上，因此雨水便只能在“小包”上面滾來滾去了。滾落的雨滴帶走了葉面上的灰塵，還沖走了各種細菌。大自然是創造的大師，它的智慧真是令人無限神往，它的作品更是令人無比羨慕。

一種表面，一個夢想

科學家試圖使用人工生產的材料模仿荷葉的表面，他們發明了一種“超級排斥表面”，并用一個組合的拉丁詞為其命名，即由“一切”和“憎惡”兩個詞組成，原本的意思是“憎惡一切”。在材料科學家看來，“憎惡一切”的意思就是排斥所有的液體，包括水和油，還有血、咖啡和酒精等等。擁有這種“排斥一切”的表面是人們的夢想。

材料學家們已經研制出了幾種不同版本的“超級排斥表面”。例如，他們嘗試用非常細的不銹鋼絲制成密集的絲網，它很像家里用的紗窗，但編織要細密得多，一片成人拇指指甲大小的樣品上分布著超過1200個細小的網格。科學家們在絲網上噴一層極薄的化學纖維涂層，從而在網格中形成了一個個小氣囊。任何液體接觸到這些氣囊時，都只能在氣囊上流動，而不能觸碰到真正的固體表面，這樣一來，它就和荷葉的表面很相像了。

假若把這種表面附在面料上縫制衣服，那么穿上這種衣服就不僅僅能夠保持干凈，它還是絕妙的防護服。化學家和醫生可以用它防護酸類液體、血液和其他危險液體的傷害。

表面的多種行為

科學家認為，假若能讓材料表面有選擇地排斥，那么這些材料可以發揮的作用將更大。比如，他們就研制了一種專門對付油污染的表面，有了這種表面，清理湖泊、江河和海洋中的油污就容易得多了。要構建這種表面，科學家們同樣需要一個極細的金屬絲網，然后在絲網上涂一層化學物質，不同的是，這種物質能排斥油，但對水卻是吸收的。假若你把油和水潑向這種表面，那么水會穿過表面，而油則被擋在外面。在測試中，人們使用這種表面制成的織物清除水中的油污，結果水中99%的油污都被清除掉了。

科學家還發現，讓表面展示一種“混合”的行為還能滿足人們的更多需求。一個突出的實例是鏡子和其他玻璃物品的表面，這些表面很容易被霧化而變得模糊不清，這是因為當潮濕的空氣遇到了冰冷的玻璃，例如照相機的鏡頭、鏡子等，空氣中的水分會很快被冰冷的表面所凝結，這些凝結的水滴散射光線從而使玻璃變得不透明了。

科學家們一直想設計一種表面以吸收掉玻璃上的水滴，他們研制了一種和“超級排斥表面”相對立的材料——“超級吸收表面”，這種表面能將水滴平鋪到玻璃上，使水滴變成一層“水面”，這樣一來，由于玻璃上的水在任何地方都一樣厚，光線的散射便不會發生了。然而，即使這樣，也依然存在問題。假若氣溫處在0℃以下，水層便會結冰，冰上還是會結霜。事實上，這是一個棘手的問題，所以“超級吸收表面”并沒有從根本上解決問題。

為了徹底解決玻璃起霧的問題，美國麻省理工學院的材料科學家邁克爾·魯布納和他的同事們想到了一個更妙的辦法，那就是做一個組合的表面，它吸收水蒸氣，卻排斥水滴。空氣中的濕氣可以經過組合表面的外層，但一旦穿過外層，它們便被內層所捕捉，黏附在了內層上，而內層也只是將水分子暫時“固定”住，它的奧妙在于氣體水分子在內層無法聚在一起，它們因此就不能混合和結冰。與此同時，外層雖不排斥水蒸氣，卻能排斥液態水，因而雨滴之類若落在了這個涂層上便只能滾落下來。

在測試中，魯布納和他的研究團隊將一些小塊的玻璃放在零下20℃的環境中冷凍1小時，然后再將玻璃放到一個溫暖而潮濕的環境中，結果是，沒有組合表面的玻璃很快便“起毛”了，但有組合表面的玻璃依然如故，表面清潔和透明。

給巨輪穿上“空氣外套”

解決玻璃“起毛”的問題是很多人的夢想。攝影鏡頭、望遠鏡的鏡面常因被這種霧氣籠罩而讓人不勝其煩。不過在目前，這種表面也有缺點，那就是它太脆弱，容易損壞，所以暫時還無法在汽車的擋風玻璃上發揮作用。也許下一代技術能打造出更結實的組合表面，到那時，這種表面的用處就更大了。

“超級排斥表面”的出現使一些科學家有了越來越多的想法，于是有人想到了更大的家伙——船。在浩瀚的海洋上，巨輪的航行非常耗費能源，它們在水中破浪前進必須克服巨大的阻力。當巨大的船體劃過水流時，水和船體的摩擦對巨輪形成了強大的拖曳作用，假若有辦法減少這種作用，船便會行駛得更快，能量也會消耗得更少。克服拖曳的關鍵在于減少摩擦，其中的一種方法是在船體的水線以下制造一個空氣層，這就好比給巨輪穿上一件“空氣外套”，在這種情況下，船實際上行進在空氣中，而不是在水中。

美國橡樹嶺國家實驗室的夏洛蒂·巴爾比耶研究小組決定設計一種能捕獲空氣的表面，然后給這種表面涂上一種拒水的化學涂層。為了便于測試，這些科學家先在一些鋁制的圓盤上做文章，他們在圓盤上刻上細槽，這樣的細槽在大型的船體上代表流水的通道，流水流過通道能有效地減少拖曳的力量。接下來，科學家們使用酸性物質在通道內部和通道之間腐蝕出一些更小的結構，它們是一些氣孔，氣孔之外又套上一層有拒水作用的高分子聚合物，事實上，這種表面和前述的其他科學家們研制的拒水表面是類似的。

為了測試這種表面的效果，科學家們將圓盤放到水下，使用一種類似電唱機的裝置讓圓盤高速旋轉。測試的數據顯示，溝槽的深度和氣孔的大小對減少拖曳力是有影響的，這種影響還會隨著速度的變化而變化。巴爾比耶認為，假若使用這種表面技術并且處理得當，一艘長300米的油輪便可以在航行中減少44%的拖曳力。

可以預測，表面科技的應用可以是非常廣泛的。科學家們正在設法將表面科技推廣到幾乎所有的領域。例如，人們設想使用一種表面的涂層以除去輸電線上凍結的冰層，在暴風雪的天氣里，這種冰層會給人們帶來很大的麻煩。同樣地，類似的涂層還能減少船體上的藻類，使船舶行進得更省力。至于其他日常的方面，例如不沾污物的衣服，不起霧的鏡子、眼鏡、車燈等等更是不勝枚舉。正因為如此，“超級排斥表面”才對科學家們具有“超級魔力”。

【責任編輯】龐 云endprint