第2章 植物身上的神奇浸润现象

2.1 莲花效应

当我们利用假期、周末出去旅游观光，身心放松地欣赏大自然那瑰丽的景色时，往往会不由自主地随口吟诵出“造化钟神秀”（杜甫，《望岳》）的诗句。此时，每个人的脑海里会自然地想象到这神奇的、经过了数亿万年演化的大自然，给我们展示了多么奇妙的现象啊！大自然中的很多生物具有的那些特殊本领，确实令人叹为观止。这是因为，在大自然数亿万年的漫长演化过程中，经历过重重的自然选择和优胜劣汰，生物体各方面的功能已经得到了充分完善与优化，那些多余的、无用的功能大部分已经退化。这一现象也充分证实了“自然界按最简单、最有效的方式演化”的原则[8]。

自然界中的很多植物本身就像是具有无限魔力的工程师和魔法师，它们本身奇妙的特性、周密的结构和经济实用的特点令我们由衷地叹服。它们的那些特殊的本领，也伴随着很多奇特的现象，激发了我们的灵感，促使我们虚心地向大自然学习，从而能够制造出有良好性能的新材料和新产品。现在，通过自然界进行仿生表面的研制已经成为现代仿生学领域的一个重要分支。

尽管植物具有很多特殊的本领，但我们在这里主要关注的是它们表现出的那些令人惊讶的超疏水的浸润性能。例如水稻，它们的叶子具有各向异性的图案结构，也就是说在水稻的叶子表面，那些乳突状的微结构沿着平行于叶边缘的方向有序排列，而沿着垂直方向呈无序排列。这种特殊的结构能够保证水珠沿着特定的方向滚动，从而把灰尘排斥出去（图2-1）。

日常生活中最常见的还有荷花（图2-2）、芋头、苜蓿等植物的叶子，它们往往不沾雨滴、不沾灰尘。读过《水浒传》的读者一定会记得，一百单八将里面的鲁提辖要拳打镇关西之前，事先想激怒对方，故此让他给切了一些肉，然后“用荷叶包了”。这一情节说明在古代用荷叶包肉是非常普遍的，也说明荷叶是非常干净的。令人惊讶的是，这些干净的莲花通常扎根于肮脏不堪的水底淤泥里，所以莲花具有“出淤泥而不染”（周敦颐，《爱莲说》）的高洁特性，也常常被用来比拟知识分子高尚的道德情操。而在佛教教义中，莲花也具有无上的意象和地位。据《除盖障菩萨所问经》卷九记载，莲花出于污泥而不染，妙香广布，令见者喜悦、吉祥，因此以莲花比喻菩萨所修的十种善法。此外，僧人穿的袈裟也称为莲花衣、莲花服，也是取莲花清净无染的意思。因此我们也往往称莲花为“花中君子”“圣莲”，这些名字都象征着它的纯洁无瑕。而莲花具有排斥灰尘、排斥雨滴的现象也被称为“莲花效应”。

从物理的角度来看，莲花效应主要是指莲叶表面具有很强的超疏水以及自清洁的性质。由于荷叶具有容易排斥水、不沾水的表面，故而落在叶面上的雨水会很快地散开，并在表面张力的作用下形成球形的水珠。经过测量，在这个过程中，水与叶面的接触角会大于150°，因此只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚离叶面。即使经过一场倾盆大雨，莲叶的表面也总是能保持干燥；另外，滚动的水珠会顺便把一些灰尘污泥的颗粒一起带走，达到自我清洁的效果，这就是莲花总是能一尘不染的简单解释。

荷叶不沾水的现象，引发了诗人们无数浪漫的遐思，自古至今他们有诸多的吟咏。唐代大诗人韦应物就有一首有名的诗，名字就是《咏露珠》：

秋荷一滴露，

清夜坠玄天；

将来玉盘上，

不定始知圆。

从现代科学的角度来看，韦应物的这首诗生动地描述了一滴露珠在荷叶面上发生不浸润的力学现象。我们可以想象一幅唯美的画面：在秋天的夜晚，从天空中掉下的一个露滴，落到铺展开来的碧绿的荷叶上面。由于荷叶不沾水，所以露滴变成一颗晶莹透明的水珠，在荷叶上面滚来滚去，确实非常好看[9]。“不定始知圆”是说，由于看到露珠在荷叶上面来回滚动，这才发现它是圆球形的。其实，秋荷上的露珠也不一定是从天空掉下来的。这是因为秋天的后半夜空气湿度大、温度较低，露滴会在荷叶上发生毛细凝结，也会形成露珠。

唐代三大诗人之一的白居易也有一首关于植物叶子上面露珠滚动现象的七绝诗，名字是《暮江吟》：

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。

这首诗写于822年，当时白居易将赴任杭州刺史。诗人描绘了在日近黄昏以及一钩新月缓缓升起的两个场景，让我们能够想象到露珠在绿草上的不浸润现象。首先描绘了几乎贴着地面照射的残阳，发出的红光就像铺在江面上一样；江水缓缓流动，江面上波光粼粼，细小的波纹在残阳的照射下显示出不同的颜色。第二个场景就是在九月初三的夜晚，一弯新月升起来了，由于天凉形成了露珠，落在江边的那些绿草之上而呈现出球形，就像那晶莹的珍珠一样。

荷叶为什么具有超疏水和自清洁的神奇功能呢？我们都知道抹布和卫生纸都是粗糙的，因此容易吸水。那么是不是荷叶的表面异常光滑，从而能够排斥水和灰尘呢？答案却是否定的。

荷叶超疏水的秘密一直激励着很多科学家孜孜不倦地探索。德国的波恩大学有一位植物学家，名叫巴特洛特（Wilhelm Barthlott），他从20世纪70年代开始就研究各种植物叶子的表面对于液滴和灰尘的吸附行为。他发现，一些光滑的叶子表面往往粘有灰尘，需要首先经过清洗才能在显微镜下观察；而可以排斥水的叶子，例如荷叶等表面却总是干干净净。把这些植物的叶子放在扫描电子显微镜（简称“电镜”）下观察（图2-3），巴特洛特等人发现它们的表面不但不光滑，而且是非常粗糙的；这些叶子的外表一般都有精细而复杂的微结构。然后他们采用人工造雨的办法来清洗各种叶子，并持续两分钟，最后将叶面倾斜15°，使雨水滑落，观察叶子表面灰尘粒子残留的状况。通过观察对比，他们发现，图2-3中的前四种植物的叶子相对光滑，因此它们表面的残留污染物多达40%以上。而后四种植物的叶子相对粗糙，它们表面上污染物的残留比例都小于5%。

那么荷叶的表面究竟粗糙到了什么程度呢？通过电镜进一步仔细观察荷叶的表面，我们发现它的表面不但不平整，还覆盖了一层分泌出来的蜡质，从外观来看像是很多微米大小的乳突。在这些乳突上面还布满了更为细小的纳米量级的管状蜡晶结构，这种特殊的结构被称为“多级结构”；荷叶的表面一般为二级微纳米复合结构。经过测量，可以知道这些乳突的直径在10μm左右，所占表面的面积分数约为30%，而乳突上覆盖的管状蜡晶结构的直径在100nm左右。这两种结构在尺度上有着明显的差异，因此荷叶的表面呈现出宏观、微观、纳观的多尺度和多层次的分级结构。

我们前面已经提到，自然界中的大部分材料都是亲水的。但是荷叶比较特殊，它的表面有一层蜡质，这层物质却具有疏水的特性。取荷叶表面的蜡质，测量其材料的接触角只有110°左右，而实际观察到的荷叶表面形成晶莹水珠的表观接触角约为160°。这说明荷叶表面光有蜡质材料不能达到超疏水状态，实际上正是这些粗糙的微纳米结构起到了增强接触角的作用。

根据第1章中讲到的Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，我们知道，当材料的杨氏接触角为θY=110°时，可以根据这两种模型预测出液滴的宏观接触角会大于杨氏接触角。例如对于Wenzel模型，假如表面的粗糙粗因子r=2.5，则根据公式可知

通过式（2-1），可以求得宏观接触角为θW=149°。

而对于Cassie-Baxter模型，如果与固体的接触面积百分比s=0.1，则根据方程

可以求得此时的宏观接触角为θC=159°。

进一步的研究发现，单纯的微米或纳米结构虽然可以诱导表面产生超疏水性，但是水滴在这样的表面上不易滚动；只有微米与纳米结构相复合的分级结构才能得到同时具有较大接触角和较小滚动角的自清洁表面。假如荷叶表面仅仅具有微米凸起而没有更细小的纳米结构时，要达到式（2-1）和式（2-2）中比较恰当的物理参数，难度是很大的。这说明正是荷叶的这种二级微纳米复合结构可以使这些参数恰到好处，从而大大增加了其疏水性质，最终能够起到自清洁的作用。

这就提示我们，如果要设计具有超疏水性的表面，除了要采用本身具有疏水性的材料之外，还需要将材料表面设计成具有一定粗糙结构的形貌。如图2-4所示，当一滴水放在一个微纳米多级特殊形貌的结构表面上时，会呈现出很大的宏观接触角，甚至于接近180°。

我们再来看看荷叶表面如何能够排斥掉灰尘（图2-5）。对于没有微观结构的表面（图2-6），一些污染物，如灰尘等与表面的接触比较紧密，它们之间的黏附力也很大，水在这种表面上滚过时便不能很好地把污染物带走，这样的表面自然就没有自清洁作用。但是对于具有多级微纳观结构的表面，上面的污染物与荷叶表面接触的面积大幅度减小，荷叶与水滴的接触面积只占其名义接触面积的2%～3%，这就大大减小了污染物与荷叶表面的黏附力。此时，污染物就更容易粘在水上而不是停留在荷叶表面，也就是说它们与水的黏附力大于与荷叶表面的黏附力。因此我们就会发现，当水珠从荷叶的表面滚过时，就会把污染物带走，完成自清洁的过程。

受到荷花等植物的启发，我们可以设计制造出具有分形、分级结构的微纳米超疏水表面，这正是近代表面仿生学的重要内容之一。通过各种工艺制造的超疏水表面，已经用于生产衣服和领带、制造自清洁玻璃、设计防雪天线、抗细菌感染、防黏附、浸润开关、药物释放、提高血液相容性、蛋白质吸附、细胞黏附、生物分子和细胞微图案化等各种领域，创造了巨大的经济效益。如图2-7所示为由中国科学院化学研究所研制的、表面设计成微纳米多级结构的纳米领带，这种领带具有不沾水、不沾油的特性。

著名的Neverwet网站（http://www.neverwet.com/）给出了以下例子：如图2-8所示为该公司制备的Neverwet超疏水表面，当在该表面上滴上胶水时会完全滑落，而在乳胶材料表面滴上胶水时，胶水则很容易黏附在上面。

如图2-9所示，一个人左右两脚穿着不同材料制备的鞋子，其中一只为表面用Neverwet材料制备的，另外一只为没有经过任何处理的。当两只脚同时踩到泥浆里面然后走到岸上时，可以令人叹服地发现：一只白鞋沾满了泥污，而另外一只白鞋却是一尘不染，这充分展示了这种新型材料超强的去污能力。

采用Neverwet材料制备成的衣服具有很强的斥水能力。如图2-10所示，当将水从瓶子里面倒在这种衣服表面上时，水滴就像小球一样很快地弹开而落到地上。所以下大雨的时候，穿上这种雨衣以抵抗淋雨肯定是非常安全的。