荷葉為何不沾水？

石松

一到夏季，鄉(xiāng)村中最壯觀的景色莫過于成片的荷塘。荷花素有“出淤泥而不染”之美譽(yù)。在歷史上，據(jù)說北宋詞人柳永“三月桂子，十里荷花”的詩句還曾勾起了金國(guó)皇帝征服江南的欲望。

荷葉也自有其獨(dú)具魅力之處。每當(dāng)下雨，滴落在荷葉上的雨水立刻就化作了一顆顆晶瑩的水珠，在上面滾來滾去，煞是好看。倘若荷葉搖擺起來，水珠就紛紛墜落。要是換成別的植物，葉子被雨水淋了，水滴多少總會(huì)有些吸附其上，但荷葉卻能擺脫得干干凈凈。從材料學(xué)的角度來說，荷葉的防水性能是非常出色的，其中奧秘，非常值得我們研究。通過借鑒荷葉，科學(xué)家或許能研制出更好的防水、防污的表面材料。

液滴，沾還是不沾？

在生活中，我們最熟悉的防水物品大概要算雨衣了。當(dāng)然現(xiàn)在的雨衣大多是塑料制成的了，但數(shù)十年前的雨衣卻是在布料上涂上一層橡膠制成的。據(jù)說這種辦法最早還是公元6世紀(jì)的瑪雅人發(fā)明的，他們把布料放在橡膠樹的汁液上浸泡過后，就制成了防水性能良好的雨衣。不過這一方法直到1820年才被一位蘇格蘭發(fā)明家重新發(fā)現(xiàn)，此后，雨衣才進(jìn)入一般人的生活。

還有一種防水、防油的材料想必大家也很熟悉，雖然不見得都知道它的名稱，那就是不粘鍋上那黑黑的一層涂料。它的商品名叫“特氟龍”，是1938年由一位美國(guó)化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)的。特氟龍是目前最好的防水、防油材料。

那么，橡膠、特氟龍這類材料為什么能防水或防油呢？或者換句話說，水或油滴到它們的表面后，為什么沾不住呢？

從力學(xué)的角度來說，液滴在表面能否沾住，取決于兩個(gè)力的較量：一個(gè)是液滴內(nèi)部分子之間的凝聚力，這個(gè)力傾向于讓液滴保持原形；另一個(gè)是使得液滴分子吸附到所沾表面的力。如果吸附力比凝聚力強(qiáng)，液滴很快就會(huì)失去其原先的形狀，在表面攤開來，接觸角幾乎趨近于零。但如果凝聚力占優(yōu)勢(shì)，那么液滴會(huì)像珠子一般挺起來，形成一個(gè)近似球形的形狀，并且具有一個(gè)很大的接觸角——在理想的情況下，接觸角是180度——這樣它就更容易滾動(dòng)或者一甩即掉。一滴液體要想不沾在表面，其接觸角至少要大于90度。

橡膠、特氟龍之所以能防水或防油，是因?yàn)樗位蛴偷卧谒鼈儽砻嫘纬傻慕佑|角都大于90度。就拿特氟龍來說，水滴在不粘鍋表面形成的接觸角可達(dá)110度。

荷葉防水的獨(dú)門秘笈

但正如本文開頭提及的，有些植物的葉子天然就有防水、防油的本領(lǐng)。植物是很有理由這么做的，因?yàn)樗鼈兊娜~片要進(jìn)行光合作用，光合作用從空氣中吸收二氧化碳，吐出氧氣；此外，為了降溫，還要進(jìn)行蒸騰作用，蒸發(fā)水汽。這一切都要通過葉片上的氣孔進(jìn)行。倘若氣孔被水珠、灰塵或細(xì)菌堵塞了，不能及時(shí)抖落雜物，那植物就要“憋死”了。

所以為了防水，植物葉子表面一般都有蠟質(zhì)層。但具體到荷葉，它還有自己的“獨(dú)門秘笈”。科學(xué)家在掃描電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，荷葉的蠟質(zhì)層是由上百萬個(gè)微小突起組成的，在突起之間，則是一個(gè)個(gè)小凹坑，凹坑里填充著空氣。當(dāng)水滴落到荷葉上，就等于壓在了小凹坑的空氣之上了。這就限制了水滴與荷葉表面的靜電吸引力，使水滴能夠保持近乎球形，接觸角可達(dá)到162度，所以，水滴只能在荷葉上來回滾動(dòng)，但要想吸附在上面，門兒都沒有。

按材料科學(xué)家的定義，一種材料的表面與水滴的接觸角超過150度，這種材料就叫超級(jí)防水材料。所以，荷葉就是一種天然的超級(jí)防水材料。這種材料大大地激發(fā)了科學(xué)家的靈感。

為了加強(qiáng)不粘鍋的效果，科學(xué)家仿效荷葉，先在鍋的金屬胚子表面蝕刻出許多微小的凹坑，然后再均勻鍍上一層特氟龍，這樣就能達(dá)到更好的防水、防油的效果。

由荷葉帶來的靈感

上面提到材料的主要功能是防水，但很顯然，光防水是不夠的，事實(shí)上生活中很多東西都要“防”。比如說，油就是一種很討厭的東西：油污不僅影響餐具和衣物的美觀，油污還容易吸附塵埃和細(xì)菌。在汽油或者柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，油還腐蝕橡膠制的密封圈。此外，血液、紅酒、果汁等，也是我們平時(shí)都要防的。這些東西一旦濺到身上，清洗起來很麻煩。

比起水來，油是一種更加“放蕩不羈”的液體。油的分子之間吸引力較弱，所以當(dāng)它滴在材料表面時(shí)，不需要太大的吸附力即可克服它自身的凝聚力。所以，它就直接攤開或者滲入到材料里面去了——生活中每個(gè)人都曾沾過油污，這一點(diǎn)想必不用再試也知道。

受荷葉的啟發(fā)，2007年，一位俄羅斯科學(xué)家從理論上證明，只要我們?cè)谀骋徊牧系谋砻嫖g刻出適當(dāng)?shù)募y理，那么對(duì)于任何類型的液滴，都可以產(chǎn)生足夠的表面斥力，使液滴沾不上去。

什么意思呢？前面提到，荷葉的防水是靠表面的蠟質(zhì)層和小突起共同實(shí)現(xiàn)的。但按這位科學(xué)家的說法，哪怕荷葉沒有蠟質(zhì)層，只要在表面加工出適當(dāng)形狀的小突起，那么一樣可以達(dá)到防水的效果。換句話說，任何材料都可以成為萬能的防污（包括防水）材料，但前提是，你必須對(duì)它的表面進(jìn)行合適的“紋身”。

這是一個(gè)革命性的新觀念。2008年，一個(gè)美國(guó)研究小組開始付之實(shí)踐。他們?cè)谑⒈砻嫖g刻出蘑菇狀的小突起，結(jié)果在這種表面，油滴和水滴真的再也沾不上去了，只能來回滾動(dòng)，接觸角都大于150度。他們稱之為“萬能防污材料”。此后，其他研究小組改進(jìn)方法，設(shè)計(jì)出更復(fù)雜的表面紋理，使石英防水、防油的性能進(jìn)一步提高。

但這里也有一個(gè)問題：這些微觀或者納米尺寸的結(jié)構(gòu)都很容易損毀，而且制造成本高昂。對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)，我們還須尋找其他途徑。

豬籠草帶給我們的啟發(fā)

大自然再次為我們提供了靈感，這一次還是來自一種植物，它就是“食肉”的豬籠草。豬籠草是自然界為數(shù)不多的能吃動(dòng)物的植物，它長(zhǎng)有一個(gè)個(gè)像號(hào)角一樣的結(jié)構(gòu)，這其實(shí)是它的筒狀陷阱。當(dāng)昆蟲等“獵物”停落在陷阱口邊緣，豬籠草就能把昆蟲捕捉住。

原來豬籠草的陷阱壁上，布滿了一些微小的突起。在豬籠草生長(zhǎng)的潮濕環(huán)境下，小突起之間吸附著一層異常光滑的水膜。我們知道，水和油是以不相溶著稱的。昆蟲的腳底大多有油脂，當(dāng)它停棲在陷阱口的時(shí)候，一不小心就會(huì)滑入這種植物的“胃”中去，還沒等它展翅逃離，筒狀的口就已經(jīng)收攏了。然后，豬籠草就慢悠悠地分泌黏液把它殺死吃掉。

2011年，美國(guó)一位科學(xué)家借鑒豬籠草的這一特點(diǎn)，仿制出類似的防污效果。他在一種多孔的材料上涂上一種潤(rùn)滑劑，這種潤(rùn)滑劑像特氟龍一樣，防水、防油性能絕佳，幾乎不與任何物質(zhì)相互作用。這樣制成的表面，你只要對(duì)它稍稍傾斜一下，置于其上的物體都會(huì)從表面滑落下去。迄今參與測(cè)試的包括水滴、冰粒、不同類型的油滴、血液、螞蟻、膠帶和不同種類的細(xì)菌。

他甚至還大大提高了普通金屬板的防污性能，辦法是：在一塊光滑金屬板上鍍上一層納米結(jié)構(gòu)的噴霧，使其表面先變粗糙，然后再涂上一層特制的潤(rùn)滑劑，于是就制造出了光滑的防污表面。這種表面還可以“自我療傷”：當(dāng)被刮傷的時(shí)候，刮痕很快就能被通過毛細(xì)作用滲進(jìn)去的潤(rùn)滑劑修補(bǔ)。這種材料在飛機(jī)上大有用場(chǎng)。我們知道，飛機(jī)飛行時(shí)，機(jī)翼經(jīng)常會(huì)吸附上霧滴，一到高空，它們就凍成了粗糙不平的冰粒，極大地增加了飛行的阻力。而在這種表面，霧滴就再也無法吸附上去了。

當(dāng)然，上述材料也只是防污本領(lǐng)更強(qiáng)而已，還遠(yuǎn)稱不上“萬能”，比如對(duì)于比油凝聚性還低的很多物質(zhì)，像酒精、丙酮、苯等等，這種潤(rùn)滑劑不僅防不了，而且干脆就被溶解了，真是一物降一物。endprint