肉眼看不见的奇妙世界

木 白

眼睛作为视觉器官，让我们看到了周围五光十色的世界。然而，在我们的现实世界里，还有许多奇妙景象是我们肉眼看不见的。

这是为什么呢？首先，让我们来看看视觉是怎样形成的。大家知道，人眼对光线的刺激可以产生复杂的反应，当人们看东西时，物体所反射的光线经过瞳孔和晶状体，落在视网膜上，视网膜上的视神经细胞在受到光刺激后，将光信号转变成生物电信号，通过神经系统传至大脑，再根据人的经验、记忆、分析、判断、识别等复杂的过程而构成视觉，并在大脑中形成物体的形状、明暗及颜色等信息。于是，我们就得到了物体的影像，或者通俗地说，我们就看见了物体。一般而言，正常情况下，人眼视网膜能分辨的最小尺度约为0.1毫米。此外，对于无色透明物体（如空气等），由于光线只有透射而没有反射，人们对它们的存在也无法直接辨认。因此，我们肉眼对周围世界里的许多奇妙景观是“视而不见”的，但科学家可以借助于实验观察或理论计算等手段揭示一些肉眼看不见的美丽世界。

1.珍珠母断口纳米景观

当我们在海边度假时，会见到各种各样的贝壳。它们形状各异、色彩艳丽，十分令人喜爱。而科学家对它们的喜爱则在于它们具有非常好的强韧性，如贝壳和粉笔的成分都是碳酸钙晶粒，但粉笔一折就断，而贝壳则难以折断。于是，科学家把贝壳切开，把断口放到可以放大几十万倍的电子显微镜下进行观察。大家从这张断口纳米显微照片中可以看到，原来贝壳的内部结构具有特殊的有序排列特点，从外向里分别是角质层、棱柱层和珍珠母。这张照片的上端是珍珠母，它是贝壳的最内层材料；照片中部像瀑布的是棱柱层，其抗压强度是抗拉强度的几十倍。贝壳是结构和物性完美结合的产物，它不仅为贝类软体提供保护，也是科学家进行材料仿生设计的目标之一。

2.嫦娥等等我

这张对木材进行纳米压痕测试时得到的电子显微镜图像，使我们看到了木材内部的细胞。在图片中央，有一个完整的细胞，尽管周围的5 个细胞是不完整的，但它表明了电镜测试的范围内有一个被细胞壁完整包围的细胞核。根据图中所给出的标尺，我们可以知道这种木材细胞的尺度大约为40微米。这个试验是为了研究木材这类纤维材料加工时的切割性能，科学家在细胞壁的部位压了一个纳米尺度的“印痕”。在压痕过程中可以测量出作用力—压痕深度的曲线，然后科学家就可以算出材料的力学性能，并且告诉工程师怎么切割木材最省力。当然，这只“兔子”在细胞核里出现是偶然的，但进行科学实验时要特别注意观察所有现象，如果有过去没有观察到的且重复出现的现象，就要抓住它并探讨其中的科学道理，这样也许就会有新发现。

对木材进行纳米压痕测试时在细胞中发现的“兔子”

3.蝙蝠飞行中的流线

蝙蝠是能够飞行的哺乳动物，它们在空中盘旋自如，能迅速地捕捉昆虫。蝠翼由10 多个关节和无比柔软的皮膜组成，它是怎样产生升力的呢？科学家通过蝙蝠在飞行中的流线来分析这个问题。这张俯视图给出了鼩形长舌蝠周围空气的流动情况，其中每条流线的切线方向表示空气在该点的速度方向。可以看到在两翼的前缘、翼尖和翼根处都产生了旋涡（流线卷成螺旋状）。航空工程师曾发现前缘涡可以提高飞机的升力，但这种前缘涡很容易脱落，又会引起升力的突然降低，往往引起灾难性的后果（即“失速”）。蝙蝠能巧妙地调整蝠翼形状和飞行速度，使前缘附近形成沿翼展方向的流动，避免了前缘涡的脱落，从而确保了升力。科学家正在学习蝙蝠的“不失速机制”，设计下一代新型飞行器。

4.蚂蚁足表面的微结构

蚂蚁是孩子们喜爱的动物之一，观看蚂蚁如何搬新家、如何运食物、如何打群架是那么有趣。这张图片告诉我们科学家是怎样研究蚂蚁足的。图中黑蚁照片的左侧是它的足尖图像，这是在光学显微镜下拍摄的。可以看到，蚂蚁足的前端有两个“爪钩”，它们相互垂直，中间还长着一个“圆囊”。下面那张是继续放大后的图像，让人可以看清这个圆囊结构的细节。当然，仅仅看到这些结构不能说明什么问题，我们的科学家又进一步观察研究蚂蚁是如何行走的。他们发现，如果是在粗糙表面，蚂蚁使用两个爪钩抓住表面的突起物行进；如果是在较光滑表面，蚂蚁则运用圆囊的反复放缩来实现行进，有时它还会分泌一些液体以增加和表面间的黏附力。所以，我们现在就可以明白蚂蚁为什么可以在玻璃上行走了。

5.单层水分子的运动

两个固体界面之间的黏附性能是科学家研究的一个重要问题，而环境有一定湿度后往往会在固体表面上形成一层“水膜”。如果湿度小于90%，一般空气中的水不会凝结成为水滴，所以有可能在固体表面形成“单层”水分子膜。科学家把这薄的水膜叫作“类固体”，因为它不会像通常的水那样流动。科学家还发现，这种单分子水膜可以增加固体间的黏附力。由于这个原因，壁虎可以牢牢地贴附在潮湿的表面上，但是它们无法贴附在洒有大量水的表面上。大家知道，一个水分子的直径只有0.4纳米，所以研究这种水膜的作用属于目前十分热门的“纳微力学”领域。这幅图展示的是一个计算结果，在初始时刻水分子在表面有一种排列（图中用不同颜色表示它们的初始位置），但是它们很快重新分布，达到一种热平衡状态，以满足能量最低的原则。

6.湍流结构图示

这幅图显示了高雷诺数下均匀各向同性湍流中“涡量拟能”的等值曲面，其中色彩的变化反映了压力在这些曲面上的分布情况。虽然这是一种理想的湍流运动形式，此时流体在任意位置、向任何方向的运动都具有相同的统计特性，比如这里提到的涡量拟能（它是流体角速度的平方）。但是流动结构是复杂纷乱的，这表明了湍流在空间尺度上的复杂性和随机性。为了计算这种流体运动，需要把图中的正方体盒子分成大小相等的若干个小格子，然后采用高精度的伪谱方法对这个盒子里面的流体运动做计算机模拟。在这个图示里，混乱分布的涡量拟能柱状结构看起来没有什么规律可循，但是如果长时间观察这些结构（它们会不断产生变化，比如扭曲、缠绕、产生或者消失）并对它们不断变化的数值做平均，就会发现涡量拟能统计平均值在盒子中任何位置都是相等的。正是这些复杂随机而又有规律可循的特性让湍流的研究工作变得非常有趣。