神奇的超疏水材料，灵感来自荷叶

李潇

“接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红。”走在开满荷花的池塘边，你一定会看到层层叠叠的碧绿荷叶像一把把圆形的伞盖，在微风中摇曳。那你注意过下雨的时候，淋着雨的荷叶是什么样子的吗？雨水汇聚成一颗颗水滴，在荷叶表面滚动，随着叶子的摇动而滑落，叶片也随之变得于干净净，似乎不会受到水的影响。荷叶的这一特殊本领，也可以帮助它及时“洗掉”叶片上的灰尘和污垢。荷叶为什么会拥有如此神奇的能力呢？我们人类一向善于学习，又从荷叶的这个神奇能力上学习到了什么呢？

荷叶为什么“出淤泥而不染”

说到荷叶，同学们可能会想到它“出淤泥而不染”。它生于淤泥之中，却不染纤尘，还能让灰尘和污垢随着水而流走。不过，也许有同学会说：“这有什么稀奇的？植物叶片、花瓣都会让雨水滑落吧！”荷叶的“绝技”还真不是所有植物都能做到的，不信，你看玫瑰花瓣在落上了雨水之后，表面就会附着很多的小水滴，并不像荷叶那样“滴水不沾”。

这是什么原因呢？我们摸一摸荷叶的表面，感受一下，是什么感觉呢？有点像摸打过蜡的地板，但又有一些粗糙的感觉。如果在显微镜下观察荷叶，你会发现荷叶的叶片结构很奇妙！

原来，荷叶的表面其实并不平滑，而是布满了一个个半球形的“小山包”。科学家管这些“小山包”叫乳突，它们的高度、底座直径为5～10微米，两个乳突之间的距离为10～12微米。而一根头发的直径大约有50微米，你可以想象，这些乳突有多小了。我们如果继续放大观察，会发现这些乳突的表面也不光滑，还长着许多直径为0.1～0.2微米的蜡质小乳突。所以，如果你是一个只有0.1微米高的小人国居民，站在荷叶的表面，就像站在群山之中，而每一座“山”上又长着密密麻麻的“柱子”。

这种结构和荷叶不沾水的性能有什么关系呢？原来，这些小山一样的乳突因为有“山包”，也有“山谷”，凹陷的部分可以“锁”住空气，在荷叶的表面形成非常薄的一层“空气垫”。当水滴落到荷叶表面的时候，空气垫和乳突一起托举着水滴，使得水滴在自身的表面张力作用下，不能铺展开来，而是凝聚成一个个球形的水珠，并迅速滚下叶片。如果叶片表面有灰尘，也会一起被水滴带走。所以，荷叶表面的乳突就是一层最好的保护膜。这种现象被称为荷叶的“自净”，又叫“疏水效应”。“疏”就是疏远的意思，非常形象地表示了荷叶对水的排斥。所以，科学家把和荷叶结构类似的表面叫“疏水表面”。我们可以看到，水滴在固体表面的接触部分有—个角度，水滴越“圆”，和表面接触形成的角度越大。科学家定义为，接触角大于90°的是疏水表面，大于150°的是超疏水表面。

神奇的超疏水材料

在大自然中，这种疏水特性并不只有荷叶才有，还有不少植物，比如水稻的葉片，甚至一些昆虫的翅膀、足部都有这种特性，可以帮助它们不被水沾湿。当然，荷叶的疏水性是最好的。那么，荷叶的这种特性对我们人类有什么帮助呢？

通过参考荷叶的结构，科学家发明了“超疏水材料”。顾名思义，它是一种对水具有排斥性的材料，让水滴在其表面无法铺展开，一直保持球形滚动状。为了做到这一点，超疏水材料普遍具有微纳米复合结构和低表面能的化学物质。具有这种特性的材料可以说是“神通广大”，具备很强的防水性能和自清洁性能。比如，在建筑表面涂上超疏水涂料，或者制作具备超疏水性能的玻璃，在下雨的时候可以让雨水有效地带走表面的灰尘，让建筑物长期保持清洁。用疏水材料制作的衣服，可以在衣服被饮料、油污等弄脏时，用水一冲就变干净。超疏水材料还可以用来制作手机屏、平板电脑屏，可以让屏幕不那么容易留下脏兮兮的指纹。

科学研究并没有止步。最近，研究者又通过仿生刺鲀皮肤表面的尖刺研制出一种全新的超疏水材料，让它在疏水的同时还能够保持弹性和耐磨、耐刮擦、耐冲击的性能。这又是怎么做到的呢？

我们已经知道，现有的超疏水材料的表面模仿荷叶的结构，在表面设置了一层细小的凸起，可以和水滴相排斥，让水滴无法在表面铺展开。但是，现有的超疏水材料表面的凸起往往比较脆弱，很容易因为超疏水材料的形状弯曲或和坚硬物体摩擦而断裂，这样就影响了疏水效果。所以，现有的超疏水材料为了保证疏水性，往往都弹性不够，不易弯曲。那么，如果让表面的凸起足够坚韧，是不是就可以让它形成的材料能够随意弯曲呢？什么样的凸起符合这一特点？科学家们想到了刺鲀身体表面的尖刺，虽然它比疏水材料表面的乳突要大许多倍，但它具备柔韧、不易损坏的特点，是可以参考的。

所以，科学家们在参考刺鲀刺的结构的基础上，研制出了一种新的有弹性超疏水材料，它在被弯曲和磨损超过一千次之后，疏水性仍然很稳定，而且可以防止由于碰撞所导致的变形。这样，将会解决传统超疏水材料使用寿命短的问题，可以在更多的领域广泛使用。

科学研究需要经过广泛的观察和不怕挫折的尝试，才能取得成功。超疏水材料领域还有很多等待大家去探索的谜题，希望未来的你也是解答它们的一员！

责任编辑：夏越 责任校对：陆艳