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我们把荷叶放大了500倍,找到了它出淤泥而不染的原因

少儿编程网2019-07-14 12:22:51儿童科普文章 人已围观 来源:科普中国

简介出品:科普中国  制作:雪杨   监制:中国科学院计算机网络信息中心  予独爱莲之出淤泥而不染,濯清涟而不妖,中通外直,不蔓不枝,香远益清,亭亭净植,可远观而不可亵玩焉。  ——周敦颐    (图片来源:https://www.publicdomainpictures.net/en/)  这段出自北宋大文人周敦颐的代表作《爱莲说》中的描写,想必大家都耳熟能详,尤其是其中的名句“出淤泥而不染,濯清涟

出品:科普中国

制作:雪杨

监制:中国科学院计算机网络信息中心

予独爱莲之出淤泥而不染,濯清涟而不妖,中通外直,不蔓不枝,香远益清,亭亭净植,可远观而不可亵玩焉。

——周敦颐

(图片来源:https://www.publicdomainpictures.net/en/)

这段出自北宋大文人周敦颐的代表作《爱莲说》中的描写,想必大家都耳熟能详,尤其是其中的名句“出淤泥而不染,濯清涟而不妖”,更成为了赞美荷花的神来之笔被人们千古传诵,甚至被广泛用来歌颂不与世俗同流合污之士的高贵品格。

(图片来源:http://oa.zol.com.cn/640/6409838.html?tml=read及作者制作)

那你想知道荷花为什么能“出淤泥而不染”么?下面笔者就带你来一探究竟。

荷花的专属清洁工——荷叶

荷花之所以能出淤泥而不染,荷叶扮演着重要的清洁工角色。这是因为荷叶表面具有超强的疏水能力,雨水打在荷叶上时,并不能沾在荷叶上摊成一片,而是凝聚成一个一个的小水珠,迅速在荷叶上滚落,同时带走了荷叶表面上沾染的淤泥灰尘等污垢,使得荷花终其一生都能皎洁无暇。

(图片来源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flowing_water_in_lotus_leaf_Anigif.gif?uselang=zh-cn#filelinks)

那你一定会问,为什么荷叶具有这种神奇的能力呢?下面笔者就借助扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)带你走进荷叶的微观世界,看看里面隐藏着什么玄机(有密集恐惧症者请认真观看)。

荷叶上的乳突结构有超强排水能力

当我们利用扫描电子显微镜把荷叶放大500倍时,奇迹出现了,原本青翠光滑的荷叶不复存在,取而代之的是表面星罗棋布地排列着的一个一个的近似球形的疙瘩,学名乳突。

(图片来源:作者拍摄)

参考图片右下角的比例尺,我们可以大致看到每个乳突的尺寸是10μm(微米)左右。10微米是个什么概念呢?这么说吧,我们的头发丝的直径大概是40到50微米之间,所以每个乳突比我们的头发丝还要细个三四倍。而我们人眼最小能看到30微米的物体,所以即便你拥有一双慧眼,能把这世界看得清清楚楚明明白白真真切切,也绝看不到荷叶表面分布的这些乳突。不过此时我们应该庆幸人类的眼睛不是显微镜,我们才能在泛舟西湖时领略“接天莲叶无穷碧”,而不是乌漆嘛黑大疙瘩。

如果你以为荷叶表面的微观世界就到此结束了,那你就图样图森破了。

(图片来源:作者拍摄)

这看起来像珊瑚一样的东西,就是上面的一个乳突放大之后的图片,而此时显微镜的放大倍数已经达到了一万倍。可以看出乳突上横七竖八地分布着棒状结构,每个棒的长度大概是1微米,直径大概是0.1微米。到目前为止,或许你才可以自豪地说已经把一片荷叶看个精光了。

而荷叶之所以具有超强的疏水能力,主要得益于它表面的这种微观结构。

如果我们把每个乳突看成一座山峰,乳突与乳突之间就会形成山谷。只是这山峰和山谷的尺寸仅有10微米左右大小。而山谷中充满了空气,形成了大量的彼此相连的气垫,和乳突形成的山峰一起托举着水滴,使其不能在荷叶表面摊开浸润,而是凝聚成一个一个的小水珠。此时,荷叶表面上如果有淤泥灰尘等污垢,就会黏在水珠上面,跟着水珠顺着荷叶表面一起滑落下去。而在自然界,清理这些污垢的水源一场雨就已经足够,或者是雾气凝结成的水滴。

图片内容:荷叶表面的乳突形成的山峰和山谷,以及荷叶上的水珠和水珠上粘黏的污垢(图片来源:参考文献[3])

荷叶上的水珠带走荷叶表面的污垢工作模型(图片来源:参考文献[3])

蝴蝶的翅膀与荷叶有异曲同工之妙

实际上,除了荷叶拥有这种超疏水能力之外,很多生物同样拥有这种超能力,比如蝴蝶。

(图片来源:https://www.veer.com/photo/142399348)

有了之前关于荷叶的了解,接下来再认识蝴蝶就轻松多了。以在我国河北、四川、云南和台湾等省份广泛分布的绿带翠凤蝶为例,它因翅膀翠绿鲜艳,光彩亮丽而得名。

(图片来源:https://www.veer.com/photo/142399348)

而当我们利用扫描电子显微镜把翅膀放大200倍之后再来看时,可以看出它的翅膀实际上是由排列规则的鳞片组成的,鳞片的宽度大概为50微米。

(图片来源:参考文献[5]及作者制作)

进一步放大至1000倍时,可以看出每片鳞片上都分布着彼此平行的脊状结构,学名脊脉。

(图片来源:参考文献[5]及作者制作)

当放大到10000倍时,可以进一步看到平行的脊脉之间,不规则地排布着类似蜂窝状的凹坑结构,脊脉间的距离大概为1.8微米,蜂窝状凹坑的尺寸大致为0.9微米。

(图片来源:参考文献[5]及作者制作)

与荷叶的超疏水原理异曲同工,这些凹坑里面分布着大量的空气,同样形成了一个个紧密排列的气垫,和脊脉一起托举着水珠使其不能浸润蝴蝶翅膀,蝴蝶因此才能在雨中翩翩起舞。正如《还珠格格》片尾曲《雨蝶》中所唱的那样“我向你飞,雨温柔地坠”。正因为蝴蝶的翅膀不沾水,它才能感受到雨的温柔。而当把蝴蝶翅膀表面的鳞片去掉时,翅膀的超疏水性就不复存在了。

(图片来源:参考文献[5]及作者制作)

说到这里,你一定想到了另一种超级不沾水,甚至能“轻功水上漂”的生物。没错,它就是在我国江河湖泊中广泛分布的水黾(mǐn),别名水蜘蛛,水蜢子等。

(图片来源:https://www.veer.com/photo/132327268)

那水黾又是怎么做到能在水面健步如飞,甚至凌空跳起捕捉食物的呢?

谜底就藏在水黾的腿部。当把水黾的腿放大来看时,可见他的腿上均匀排列着长度在20微米左右的刚毛。

(图片来源:参考文献[6]及作者制作)

进一步把一根刚毛放大来看,可以看到刚毛上又分布着螺旋状的纳米级凹坑。

(图片来源:参考文献[2])

同样的道理,空气被有效地吸附在这些微米级刚毛和纳米级的螺旋状沟槽的缝隙内,形成一层稳定的气垫,阻碍了水对水黾腿部的浸润。

从这些生物上找灵感制成超疏水材料

大自然孕育了这些有着超能力的生物,而我们人类同样可以道法自然,利用生物仿生学,制备出仿生“神器”,来为我们的日常生活服务。比如购物网站上就有利用荷叶效应制备的衣物,可以有效的避免衣物被饮料污水等液体弄脏,即使有粘性的污物附着也可以轻松用水冲洗干净。

(图片来源:https://detail.tmall.com/item.htm?id=588051771134)

(图片来源:https://detail.tmall.com/item.htm?id=588051771134)

我们应该相信,随着科技的发展,仿生超疏水材料一定会越来越多的走进我们的生活。这些材料可能应用在建筑表面,从此玻璃瓷砖都能一尘不染;可能应用在汽车表面,从此我们的车子就不需要因为沾染灰尘污垢而经常冲洗;也可能会做成帽子戴在我们的头上,从此我们的脑袋就不会再进水了。

参考资料:

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

[4]江雷. 从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[D]., 2003.

[5]徐琳, 丁建宁, 李伯全, 等. 蝴蝶翅膀表面超微结构与浸润性机理分析[J]. 江苏大学学报 (自然科学报), 2009, 30(4): 347-351. 

[6]田为军, 张兴旺, 王骥月, 等. 水黾多腿并排表面的疏水性能[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(8): 1726-1730.                    

[7] Li X, Gong F, Liu D, et al. A lotus leaf based random laser[J]. Organic Electronics, 2019.

[8] Blossey R. Self-cleaning surfaces—virtual realities[J]. Nature materials, 2003, 2(5): 301.


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