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OPTON微观世界

2018-11-22 10:27:10

前 言在盛夏时节安静的池塘边,正是观赏荷花的好时候。在红花绿叶的点缀下,夏日仿佛多了一丝清凉舒缓。每当提到荷花(莲花),总能想起周敦颐在《爱莲说》中 “予独爱莲之出淤泥而不染,濯清涟而不妖”的诗句。荷花历来被佛教尊为神圣净洁之花,并且极力宣传并倡导学习荷花这种清白、圣洁的精神。另外,李白的诗句“清水出芙蓉,天然去雕饰”,也表明荷花具有天然之美。荷花即青莲,青莲与“清廉”谐音,因此荷花也被用以比喻为官清正,不与人同流合污,这主要是指在仕途中。比如,有一幅由青莲和白鹭组成的名为“一路清廉”的图画,就被很多文人置于自己的书房中。可是,莲为什么可以出淤泥而不染呢?这就要讲到莲花的“自清洁”和“不沾湿”特性了。

荷叶效应

如果留心观察莲花的叶子,你就会发现荷叶上总是干干净净的,好似不留一点灰尘。这是因为荷叶表面的特殊结构有自我清洁的功能,即荷叶的“自清洁”特性。此外,我们经常会看到这样的场景:当水滴在荷叶上时,水并没有完全铺展开,而是以水珠的形式停留在荷叶上,而且只要叶面稍微倾斜,水珠就会滚离叶面。这就是荷叶的“不沾湿”特性。荷叶的“自清洁”和“不沾湿”特性被统称为“荷叶效应”。这一概念早是由德国波恩大学的植物学家巴特洛特提出的。

图1荷叶效应

超疏水特性

其实,荷叶的“不沾湿”特性也被称为“超疏水”特性。那么,如何界定“超疏水”这一概念呢?在明确“超疏水”这一概念前,我们要先了解表面化学中的一个概念——接触角。如下图所示,接触角指的是“液-固”界面的水平线与“气-液”界面切线之间通过液体内部的夹角θ。有了这一概念,我们可以很方便地表示液体对固体的润湿情况。当夹角θ小于90°时,我们称该液体可以湿润固体。当θ大于90°时,该液体不能湿润固体。当θ大于150°时,该固体表面具有超疏水特性。通俗地讲,我们可以认为这种固体表面有很强的排斥水的能力。

图2 浸润与不浸润的特征

在自然界中,奇异的性质往往是其独特的结构决定的。那么,你肯定会问:“荷叶的特性是否与它的结构有关呢?”答案是肯定的。扫描电子显微镜的发展给我们的科学研究带来了更多的可能,也使得我们能够观察到荷叶的微观结构。通过电子显微镜的成像结果,我们可以清晰地看到荷叶表面有许多突起的“小山包”(这类结构被称为“乳突”如图3(a))。这些乳突的尺寸通常在6微米左右,这些乳突的平均间距在12微米左右。而这些乳突是由许多直径在100纳米左右的纳米蜡质晶体组成。由此可见,荷叶表面存在复杂的“微米-纳米”双重结构,正是这些结构使得荷叶产生了“超疏水”和“自清洁”的双重特性。

图3 荷花叶片的sem图像 (a)低倍图像(b) “乳突”高倍图像(c)叶片底部高倍图像(d)“乳突”尺寸对应的接触角曲线分布

由荷叶到仿生技术

自然界的生物都经历了漫长的演化过程,在物竞天择下,生物自身的结构和功能都经过了长期的筛选、发展和优化,具有极高的效能。荷叶的“自清洁”性能,并不是简单的美观功效,清洁程度直接影响叶片的光合作用效率。那么不仅仅是荷叶,在自然界中具有自清洁功能的生物还有很多种,比如蝴蝶的翅膀具有的超疏水结构,保证蝴蝶翅膀不会粘连露水影响飞行。水黾的脚具有绒毛结构,确保了水黾在水面上能以每秒钟滑行100倍于自身长度的距离,这都由于水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。而这些像针一样的微米刚毛的直径不足3微米,表面上形成螺旋状纳米结构的构槽,吸附在构槽中的气泡形成气垫,从而让水黾能够在水面上自由地穿梭滑行,却不会将腿弄湿。还有蚊子的复眼,它是由许多尺寸均一的微米半球组成,其表面还覆盖有无数精细的纳米乳突结构,这种纳米乳突结构的与雾滴接触的面积无限小,具有理想的超疏水特性,从而确保了蚊子的复眼具有理想的超疏水防雾性能。

图4 蝴蝶翅膀,水黾足,蚊子复眼的超疏水结构

对自然界演化生成的超疏水结构,科学家们也做了进一步的研究,其超疏水表面的制备方法有多种:溶胶-凝胶法、相分离法、模板法、蚀刻法、化学气相沉积法、自组装法等等,下图为具有独特形状的表面微米阵列(如图5)纳米阵列(如图6),使得它们具有很好的疏水特性。

图5不同形态的人工合成的超疏水结构

图6 超疏水结构碳纳米管阵列

经过先进结构材料的表面改性,我们常见的水也可以变得很有趣,比如我们可以用手切割水珠(图7),利用涂有超疏水材料的刀片对水滴进行切割(图8)。日常生活上,通过先进疏水材料的应用我们可以使得衣物不再被水或者油污污染,减少洗涤衣物的麻烦。在军事上,由于疏水材料的使用使得水的阻力明显下降,有效地提升了舰载的行驶速度。

图7超疏水表面上流动的水珠

图8超疏水表面涂层的刀片切割水滴

结束语

从荷叶效应到超疏水结构材料的合成制备,实际上是一个仿生学研究的过程。它将生物的结构、功能和行为应用于现代工程系统和技术设计中,解决人类所遇到的科学技术问题。仿生不是对自然模型的简单复制,而是对大自然中生物的理解、升华和具有创新价值的“重塑”。在这“重塑”的过程中,电子显微科学技术对其发展与促进作用是十分巨大的。


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