荷叶为何不沾水？

石松

一到夏季，乡村中最壮观的景色莫过于成片的荷塘。荷花素有“出淤泥而不染”之美誉。在历史上，据说北宋词人柳永“三月桂子，十里荷花”的诗句还曾勾起了金国皇帝征服江南的欲望。

荷叶也自有其独具魅力之处。每当下雨，滴落在荷叶上的雨水立刻就化作了一颗颗晶莹的水珠，在上面滚来滚去，煞是好看。倘若荷叶摇摆起来，水珠就纷纷坠落。要是换成别的植物，叶子被雨水淋了，水滴多少总会有些吸附其上，但荷叶却能摆脱得干干净净。从材料学的角度来说，荷叶的防水性能是非常出色的，其中奥秘，非常值得我们研究。通过借鉴荷叶，科学家或许能研制出更好的防水、防污的表面材料。

液滴，沾还是不沾？

在生活中，我们最熟悉的防水物品大概要算雨衣了。当然现在的雨衣大多是塑料制成的了，但数十年前的雨衣却是在布料上涂上一层橡胶制成的。据说这种办法最早还是公元6世纪的玛雅人发明的，他们把布料放在橡胶树的汁液上浸泡过后，就制成了防水性能良好的雨衣。不过这一方法直到1820年才被一位苏格兰发明家重新发现，此后，雨衣才进入一般人的生活。

还有一种防水、防油的材料想必大家也很熟悉，虽然不见得都知道它的名称，那就是不粘锅上那黑黑的一层涂料。它的商品名叫“特氟龙”，是1938年由一位美国化学家在实验室偶然发现的。特氟龙是目前最好的防水、防油材料。

那么，橡胶、特氟龙这类材料为什么能防水或防油呢？或者换句话说，水或油滴到它们的表面后，为什么沾不住呢？

从力学的角度来说，液滴在表面能否沾住，取决于两个力的较量：一个是液滴内部分子之间的凝聚力，这个力倾向于让液滴保持原形；另一个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强，液滴很快就会失去其原先的形状，在表面摊开来，接触角几乎趋近于零。但如果凝聚力占优势，那么液滴会像珠子一般挺起来，形成一个近似球形的形状，并且具有一个很大的接触角——在理想的情况下，接触角是180度——这样它就更容易滚动或者一甩即掉。一滴液体要想不沾在表面，其接触角至少要大于90度。

橡胶、特氟龙之所以能防水或防油，是因为水滴或油滴在它们表面形成的接触角都大于90度。就拿特氟龙来说，水滴在不粘锅表面形成的接触角可达110度。

荷叶防水的独门秘笈

但正如本文开头提及的，有些植物的叶子天然就有防水、防油的本领。植物是很有理由这么做的，因为它们的叶片要进行光合作用，光合作用从空气中吸收二氧化碳，吐出氧气；此外，为了降温，还要进行蒸腾作用，蒸发水汽。这一切都要通过叶片上的气孔进行。倘若气孔被水珠、灰尘或细菌堵塞了，不能及时抖落杂物，那植物就要“憋死”了。

所以为了防水，植物叶子表面一般都有蜡质层。但具体到荷叶，它还有自己的“独门秘笈”。科学家在扫描电子显微镜下发现，荷叶的蜡质层是由上百万个微小突起组成的，在突起之间，则是一个个小凹坑，凹坑里填充着空气。当水滴落到荷叶上，就等于压在了小凹坑的空气之上了。这就限制了水滴与荷叶表面的静电吸引力，使水滴能够保持近乎球形，接触角可达到162度，所以，水滴只能在荷叶上来回滚动，但要想吸附在上面，门儿都没有。

按材料科学家的定义，一种材料的表面与水滴的接触角超过150度，这种材料就叫超级防水材料。所以，荷叶就是一种天然的超级防水材料。这种材料大大地激发了科学家的灵感。

为了加强不粘锅的效果，科学家仿效荷叶，先在锅的金属胚子表面蚀刻出许多微小的凹坑，然后再均匀镀上一层特氟龙，这样就能达到更好的防水、防油的效果。

由荷叶带来的灵感

上面提到材料的主要功能是防水，但很显然，光防水是不够的，事实上生活中很多东西都要“防”。比如说，油就是一种很讨厌的东西：油污不仅影响餐具和衣物的美观，油污还容易吸附尘埃和细菌。在汽油或者柴油发动机上，油还腐蚀橡胶制的密封圈。此外，血液、红酒、果汁等，也是我们平时都要防的。这些东西一旦溅到身上，清洗起来很麻烦。

比起水来，油是一种更加“放荡不羁”的液体。油的分子之间吸引力较弱，所以当它滴在材料表面时，不需要太大的吸附力即可克服它自身的凝聚力。所以，它就直接摊开或者渗入到材料里面去了——生活中每个人都曾沾过油污，这一点想必不用再试也知道。

受荷叶的启发，2007年，一位俄罗斯科学家从理论上证明，只要我们在某一材料的表面蚀刻出适当的纹理，那么对于任何类型的液滴，都可以产生足够的表面斥力，使液滴沾不上去。

什么意思呢？前面提到，荷叶的防水是靠表面的蜡质层和小突起共同实现的。但按这位科学家的说法，哪怕荷叶没有蜡质层，只要在表面加工出适当形状的小突起，那么一样可以达到防水的效果。换句话说，任何材料都可以成为万能的防污（包括防水）材料，但前提是，你必须对它的表面进行合适的“纹身”。

这是一个革命性的新观念。2008年，一个美国研究小组开始付之实践。他们在石英表面蚀刻出蘑菇状的小突起，结果在这种表面，油滴和水滴真的再也沾不上去了，只能来回滚动，接触角都大于150度。他们称之为“万能防污材料”。此后，其他研究小组改进方法，设计出更复杂的表面纹理，使石英防水、防油的性能进一步提高。

但这里也有一个问题：这些微观或者纳米尺寸的结构都很容易损毁，而且制造成本高昂。对于工业化生产，我们还须寻找其他途径。

猪笼草带给我们的启发

大自然再次为我们提供了灵感，这一次还是来自一种植物，它就是“食肉”的猪笼草。猪笼草是自然界为数不多的能吃动物的植物，它长有一个个像号角一样的结构，这其实是它的筒状陷阱。当昆虫等“猎物”停落在陷阱口边缘，猪笼草就能把昆虫捕捉住。

原来猪笼草的陷阱壁上，布满了一些微小的突起。在猪笼草生长的潮湿环境下，小突起之间吸附着一层异常光滑的水膜。我们知道，水和油是以不相溶著称的。昆虫的脚底大多有油脂，当它停栖在陷阱口的时候，一不小心就会滑入这种植物的“胃”中去，还没等它展翅逃离，筒状的口就已经收拢了。然后，猪笼草就慢悠悠地分泌黏液把它杀死吃掉。

2011年，美国一位科学家借鉴猪笼草的这一特点，仿制出类似的防污效果。他在一种多孔的材料上涂上一种润滑剂，这种润滑剂像特氟龙一样，防水、防油性能绝佳，几乎不与任何物质相互作用。这样制成的表面，你只要对它稍稍倾斜一下，置于其上的物体都会从表面滑落下去。迄今参与测试的包括水滴、冰粒、不同类型的油滴、血液、蚂蚁、胶带和不同种类的细菌。

他甚至还大大提高了普通金属板的防污性能，办法是：在一块光滑金属板上镀上一层纳米结构的喷雾，使其表面先变粗糙，然后再涂上一层特制的润滑剂，于是就制造出了光滑的防污表面。这种表面还可以“自我疗伤”：当被刮伤的时候，刮痕很快就能被通过毛细作用渗进去的润滑剂修补。这种材料在飞机上大有用场。我们知道，飞机飞行时，机翼经常会吸附上雾滴，一到高空，它们就冻成了粗糙不平的冰粒，极大地增加了飞行的阻力。而在这种表面，雾滴就再也无法吸附上去了。

当然，上述材料也只是防污本领更强而已，还远称不上“万能”，比如对于比油凝聚性还低的很多物质，像酒精、丙酮、苯等等，这种润滑剂不仅防不了，而且干脆就被溶解了，真是一物降一物。endprint