秋荷白露大如珠1)--从荷叶上的露珠谈超疏水现象

姜 楠 田 砚 杨绍琼 苏 健 田海平

(天津大学机械工程学院，天津300354)

秋荷白露大如珠1)
--从荷叶上的露珠谈超疏水现象

姜 楠2)田 砚 杨绍琼 苏 健 田海平

(天津大学机械工程学院，天津300354)

以科普文章的形式介绍超疏水现象及其物理机理和工程应用.从中国古代诗歌中描写荷叶上的露珠的名篇佳句引入，介绍了自然界的超疏水现象及其物理机理和超疏水材料在工程中的应用，超疏水材料是一种具有广泛应用前景和应用价值的新材料.号召公众热爱自然、观察自然、认识自然、学习自然，与自然和谐相处.

荷叶,露珠,超疏水

1 露珠的诗情画意

露珠是自然界一种常见的现象.秋天的后半夜，空气湿度大，温度低，空气中的水蒸气凝结成液滴落在低矮的植物叶子上，成为晶莹透亮的露珠，煞是好看，幽静的画面给人以美的享受，常常被诗人描写，借以抒发细腻美好的情感.

唐代著名诗人白居易(772-846年)有《东陂秋意寄元八》[1]：

寥落野陂畔，独行思有余.

秋荷病叶上，白露大如珠.

忽忆同赏地，曲江东北隅.

秋池少游客，唯我与君俱.

啼蛩隐红蓼，瘦马蹋青芜.

当时与今日，俱是暮秋初.

节物苦相似，时景亦无余.

唯有人分散，经年不得书.

诗人通过描写野坡畔的秋荷病叶上的露珠，回忆与挚友元稹一同游览的情景，诗中以景寓情，以景抒情，情景交融，表达了诗人与好友分别以后长时间没有得到好友书信的思念之情.

白居易还著有广为流传的《暮江吟》[2]：

一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红.

可怜九月初三夜，露似真珠月似弓.

这是一首家喻户晓，脍炙人口的七言绝句，其中诗的后两句描绘了九月初三夜里一轮新月初升，江边绿草上挂满了晶莹的露珠，圆润的露珠映照新月的清辉，闪烁着光泽，就像是颗颗晶莹剔透的珍珠.

秋荷一滴露，清夜坠玄天.

将来玉盘上，不定始知圆.

唐代诗人韦应物 (约 737- 约 791年)在这首《咏露珠》[3]的五言绝句中，仅仅用了20个字，便生动描绘了秋夜的一滴露珠落到碧绿的荷叶上面，晶莹透明，滚来滚去的美景.

霏微晓露成珠颗，宛转田田未有风.

任器方圆性终在，不妨翻覆落池中.

这是唐代诗僧齐己 (863-937年)写的《观荷叶露珠》[4]，写的是晨曦微露的拂晓时刻，一颗一颗圆圆的露珠滚来滚去，始终保持圆圆的形状和纯洁透明的品质，露珠翻滚落入池塘，动中有静，静中有动，动静结合，惟妙惟肖.

还有很多吟咏露珠的名诗佳句.如唐代诗人温庭筠的《赠知音》：

星汉渐移庭竹影，露珠犹缀野花迷.

唐代诗人李咸用的《塘上行》：

却把金钗打绿荷，懊恼露珠穿不得.

宋代诗人黄庭坚的《戏呈孔毅父》：

文章功用不经世，何异丝窠缀露珠.

杨万里词《昭君怨-咏荷上雨》：

却是池荷跳雨，散了真珠还聚，

聚作水银窝，泻清波.

金代蔡松年《鹧鸪天赏荷》：

胭脂雪瘦薰沉水，翡翠盘高走夜光.

清帝乾隆的《荷露烹茶》：

秋荷叶上露珠流，柄柄倾来盎盎收.

这些名诗佳句不仅给了我们美的享受，而且给予我们知识的启迪.大家是否会想到为什么露水落在植物的叶子上就会形成圆圆的，晶莹剔透、纯洁透明的露珠；而打在衣服上，却“道狭草木长，夕露沾我衣”呢？从流体力学的角度看来，这是因为在植物叶子的表面形成了超疏水现象(图1).

图1 荷叶上的露珠形成的超疏水现象

2 超疏水现象的原理

将一滴水滴在均匀平滑的固体表面，待液体静止后，水--气交界面的切线与水--固交界面的切线之间的夹角称为接触角[5]，常用θ表示.接触角是固--液表面相互润湿性的一个量度，接触角越小说明水对固体的浸润性越好.根据接触角的大小，会产生以下 3种情况 (如图 2所示)：当 0◦＜θ＜90◦时，为亲水现象，特别是当θ=0◦时称为完全润湿现象，就是 “夕露沾我衣”的原因.当θ＞90◦时，称为疏水现象；而当θ＞150◦时，称为超疏水现象.能产生超疏水现象的固体材料称作超疏水材料.植物新鲜的叶子就是一种天然的超疏水材料[6].自然界中有很多动物表面由于具有微结构也具有疏水性，例如蝴蝶、蝉、蜻蜓、蚊子的翅膀表面等(图3)[7].

图2 液--固不同接触角的3种情况

图3 蜻蜓翅膀表面的超疏水现象

通过观察植物叶表面的微观结构可以发现，这种疏水性是由叶子表面上的微米级凸起以及纳米级蜡状绒毛(如图4所示)共同产生的.经过观察和测量，新鲜荷叶表面的接触角可高达 160◦，表现出典型的超疏水特性[8].而经过焙烧的荷叶则失去了其超疏水性能和自清洁效应.用显微镜观察后发现，被加热过的荷叶表面微纳二级结构已经消失[9]，证明荷叶之所以具有超疏水和自清洁性能，正是因为其表面微纳米二级结构，这种微纳结构与液滴相互作用，使得液滴表现出较大的表面张力支撑，在凸起顶部与重力平衡，液滴下部空隙中留存着空气，并未真正渗入微纳结构的间隙(如图5所示)，液滴可以在凸起的顶部来回滚动，从而宏观上呈现出超疏水的“荷叶效应”[10].

图4 荷叶表面的微纳米凸起结构

图5 微纳米二级结构对超疏水性能的影响

3 超疏水材料的应用

超疏水材料在生产和日常生活中具有广泛的应用前景和应用价值.现在已经可以利用化学蚀刻法、溶胶凝胶法、模板法、化学沉积法等多种方法制备出不少性能优异的超疏水材料(图6).

图6 人工制备的超疏水材料(图(a)白色圆圈为图(b)白线所指位置放大)

3.1 输水管道减阻防垢

现有的输水管道具有损耗大、输运阻力大、易锈蚀堵塞等缺点，如果在输水管道的内壁采用超疏水材料，可以起到防锈蚀、防结垢、节省损耗、减小输运阻力的作用，提高管道的输水效率.

3.2 舰船减阻提速

常规的水上船只，其表面摩擦阻力约占总阻力的50%；对于水下运动的物体如潜艇、水雷、鱼雷，其表面摩擦阻力占总阻力可达70%；如果其表面经过加工处理成微纳二级结构的超疏水表面，可以大幅减小其表面摩擦阻力，起到节能减排的作用.

3.3 墙壁、太阳能电池板、纺织材料防水自清洁

建筑外墙、太阳能电池板、风力机叶片、雷达、天线、路灯、旗帜等长期放置在户外的装置容易被灰尘、昆虫等黏附，影响外观和使用，如果这些装置的表面使用超疏水材料，在雨水的冲刷下可以很容易清除污垢，起到自清洁的作用.

图7 超疏水表面的太阳能电池板

3.4 超疏水材料在空调冰箱中的应用

冰箱制冷时，内壁上就会产生冷凝水，使冰箱内壁结冰从而降低制冷效率，增加耗电.而在冬天加热时，空调室外机换热器又会结霜，使传热系数降低.增强空调换热器表面和冰箱内壁的疏水特性可以在结霜初期延缓初始霜晶的出现并影响霜层的结构[11].研究表明，超疏水壁面具有明显的延缓结霜作用，形成的霜层疏松，结构脆弱，容易去除，并且表现出良好的重复性和耐久性[12]；对不同微纳米表面的疏水壁面进行结霜实验发现，由于纳米二级结构之间的空隙足够小，冷凝液滴不能够侵入到微结构间隙里，使全纳米结构的表面霜晶出现时间更晚，覆盖率更小[13].超疏水表面也可以用于飞机表面，延缓飞机在高空结冰.

3.5 超疏水材料在生物医学领域的应用

植入病人体内的基材，需要考虑表面黏附的问题.研究发现，在超疏水壁面上活细胞无法大量生长，而亲水壁面上的活细胞却可以自由生长.超疏水壁面表现出的抗细胞黏附特性有望应用于临床[14].研究证明，用一种部分氟化的聚氨基甲酸乙酯 (具有生物兼容性)制备的超疏水壁面对血小板几乎没有任何黏附作用[15].

3.6 超疏水材料在新型电池中的应用

为了改善电池的效率和耐久性，已开始将超疏水材料引入电池系统.有人开发了一种两极修饰有超疏水涂层硅质材料的新型电池，这种超疏水涂层可以有效地将活性电极材料和电解液分隔开，避免副反应的发生.在燃料电池系统中，将装载有铂纳米颗粒的碳纳米管作为阴极催化剂，其超疏水性可以使电极反应中产生的水更容易移除，有效提高燃料电池的效率和使用寿命[16].

4 结束语

自然界经过千万年的进化演变，产生了大量奇特的现象，自然界是人类最好的老师.我们只有认真地观察自然，认识自然，向自然界的万物学习，与自然和谐相处，才能认识这些奇特现象所蕴含的科学知识，并体会到热爱自然、观察自然、认识自然、学习自然的乐趣.

1 白居易.东陂秋意寄元八.见：全唐诗 (第 5册)，429卷.北京:中华书局，1960

2 白居易.暮江吟.见：全唐诗(第13册)，442卷.北京:中华书局，1960

3 韦应物.咏露珠.见：全唐诗 (第 6册)，193卷.北京:中华书局，1960

4 齐己.观荷叶露珠.见：全唐诗,847卷.北京:中华书局，1960

5 周光坰.流体力学(上册).北京：高等教育出版社，1993

6 Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces.Planta,1997,202(1):1-8

7 Feng L,Li SH,Li YS,et al.Super-hydrophobic surfaces:from natural to artificial.Advanced Materials,2002,14(24):1857-1860

8 Neinhuis C,Barthlott W.Characterization and distribution of water-repellent,self-cleaning plant surfaces.Annals of Botany,1997,79(6):667-677

9 Cheng YT,Rodak DE,Wong CA,et al.Effects of microand nano-structures on the self-cleaning behaviour of lotus leaves.Nanotechnology,2006,17(5):1359-1362

10 Hu DL,Chan B,Bush JWM.The hydrodynamics of water strider locomotion.Nature,2003,424(6949):663-666

11 Liu ZL,Gou YJ,Wang JT,et al.Frost formation on a superhydrophobic surface under natural convection conditions.International Journal of Heat and Mass Transfer,2008,51:5975-5982

12 徐文骥,宋金龙,孙晶等.铝基体超疏水表面结冰结霜特性研究.制冷学报,2011,32(4):9-13

13 丁云飞,殷帅,廖云丹等.微纳结构超疏水表面结霜过程及抑霜特性.化工学报,2012,63(10):3213-3219

14 Wang Y,Sims CE,Marc P,et al.Micro patterning of living cells on a heterogeneously wetted surface.Langmuir,2006,22(19):8257-8262

15 Sun TL,Tan H,Han D,et al.No platelet can adherelargely improved blood compatibility on nanostructured superhydrophobic surfaces.Small,2005,1:959-963

16 Li W,Wang X,Chen Z,et al.Carbon nanotube film by filtration as cathode catalyst support for proton-exchange membrane fuel cell.Langmuir,2005,21(21):9386-9389

O351

A

10.6052/1000-0879-17-038

本文于2017-02-10收到.

1)国家自然科学基金资助项目(11332006,11572221).

2)姜楠，教授，主要从事实验流体力学和湍流的研究.E-mail:nanj@tju.edu.cn

姜楠,田砚,杨绍琼等.秋荷白露大如珠--从荷叶上的露珠谈超疏水现象.力学与实践,2017,39(5):515-519

Jiang Nan，Tian Yan，Yang Shaoqiong,et al.White dew on autumn lotus as large as a pearl--talk about superhydrophobic phenomenon from dew on lotus.Mechanics in Engineering,2017,39(5):515-519

(责任编辑:胡 漫)