制作：科普中國

制作：薛洋

主任：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

單獨(dú)愛蓮的泥不染，清澈恬靜不妖艷，中外筆直，沒有藤蔓，香氣遠(yuǎn)，香氣清澈，鄭正正純食，但可以從遠(yuǎn)處看到，但不能神圣地玩耍。(孔子、論語、論語、論語)。

——周敦頤

（圖片來源：）

這段出自北宋大文人周敦頤的代表作《愛蓮說》中的描寫，想必大家都耳熟能詳，尤其是其中的名句"出淤泥而不染，濯清漣而不妖"，更成為了贊美荷花的神來之筆被人們千古傳誦，甚至被廣泛用來歌頌不與世俗同流合污之士的高貴品格。

△（圖片來源：及作者制作）

那你想知道荷花為什么能"出淤泥而不染"么？下面筆者就帶你來一探究竟。

荷花的專屬清潔工——荷葉

荷花之所以能出淤泥而不染，荷葉扮演著重要的清潔工角色。這是因為荷葉表面具有超強(qiáng)的疏水能力，雨水打在荷葉上時，并不能沾在荷葉上攤成一片，而是凝聚成一個一個的小水珠，迅速在荷葉上滾落，同時帶走了荷葉表面上沾染的淤泥灰塵等污垢，使得荷花終其一生都能皎潔無暇。

△（圖片來源：）

那你一定會問，為什么荷葉具有這種神奇的能力呢？下面筆者就借助掃描電子顯微鏡（Scanning , SEM）帶你走進(jìn)荷葉的微觀世界，看看里面隱藏著什么玄機(jī)（有密集恐懼癥者請認(rèn)真觀看）。

荷葉上的乳突結(jié)構(gòu)有超強(qiáng)排水能力

當(dāng)我們利用掃描電子顯微鏡把荷葉放大500倍時，奇跡出現(xiàn)了，原本青翠光滑的荷葉不復(fù)存在，取而代之的是表面星羅棋布地排列著的一個一個的近似球形的疙瘩，學(xué)名乳突。

（圖片來源：作者拍攝）

參考圖片右下角的比例尺，我們可以大致看到每個乳突的尺寸是10μm（微米）左右。10微米是個什么概念呢？這么說吧，我們的頭發(fā)絲的直徑大概是40到50微米之間，所以每個乳突比我們的頭發(fā)絲還要細(xì)個三四倍。而我們?nèi)搜圩钚∧芸吹?0微米的物體，所以即便你擁有一雙慧眼，能把這世界看得清清楚楚明明白白真真切切，也絕看不到荷葉表面分布的這些乳突。不過此時我們應(yīng)該慶幸人類的眼睛不是顯微鏡，我們才能在泛舟西湖時領(lǐng)略"接天蓮葉無窮碧"，而不是烏漆嘛黑大疙瘩。

如果你以為荷葉表面的微觀世界就到此結(jié)束了，那你就圖樣圖森破了。

（圖片來源：作者拍攝）

這看起來像珊瑚一樣的東西，就是上面的一個乳突放大之后的圖片，而此時顯微鏡的放大倍數(shù)已經(jīng)達(dá)到了一萬倍?？梢钥闯鋈橥簧蠙M七豎八地分布著棒狀結(jié)構(gòu)，每個棒的長度大概是1微米，直徑大概是0.1微米。到目前為止，或許你才可以自豪地說已經(jīng)把一片荷葉看個精光了。

而荷葉之所以具有超強(qiáng)的疏水能力，主要得益于它表面的這種微觀結(jié)構(gòu)。

如果我們把每個乳突看成一座山峰，乳突與乳突之間就會形成山谷。只是這山峰和山谷的尺寸僅有10微米左右大小。而山谷中充滿了空氣，形成了大量的彼此相連的氣墊，和乳突形成的山峰一起托舉著水滴，使其不能在荷葉表面攤開浸潤，而是凝聚成一個一個的小水珠。此時，荷葉表面上如果有淤泥灰塵等污垢，就會黏在水珠上面，跟著水珠順著荷葉表面一起滑落下去。而在自然界，清理這些污垢的水源一場雨就已經(jīng)足夠，或者是霧氣凝結(jié)成的水滴。

△圖片內(nèi)容：荷葉表面的乳突形成的山峰和山谷，以及荷葉上的水珠和水珠上粘黏的污垢（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

荷葉上的水珠帶走荷葉表面的污垢工作模型（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

蝴蝶的翅膀與荷葉有異曲同工之妙

實際上，除了荷葉擁有這種超疏水能力之外，很多生物同樣擁有這種超能力，比如蝴蝶。

（圖片來源：）

有了之前關(guān)于荷葉的了解，接下來再認(rèn)識蝴蝶就輕松多了。以在我國河北、四川、云南和臺灣等省份廣泛分布的綠帶翠鳳蝶為例，它因翅膀翠綠鮮艷，光彩亮麗而得名。

（圖片來源：）

而當(dāng)我們利用掃描電子顯微鏡把翅膀放大200倍之后再來看時，可以看出它的翅膀?qū)嶋H上是由排列規(guī)則的鱗片組成的，鱗片的寬度大概為50微米。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]及作者制作）

進(jìn)一步放大至1000倍時，可以看出每片鱗片上都分布著彼此平行的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，學(xué)名脊脈。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]及作者制作）

當(dāng)放大到10000倍時，可以進(jìn)一步看到平行的脊脈之間，不規(guī)則地排布著類似蜂窩狀的凹坑結(jié)構(gòu)，脊脈間的距離大概為1.8微米，蜂窩狀凹坑的尺寸大致為0.9微米。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]及作者制作）

與荷葉的超疏水原理異曲同工，這些凹坑里面分布著大量的空氣，同樣形成了一個個緊密排列的氣墊，和脊脈一起托舉著水珠使其不能浸潤蝴蝶翅膀，蝴蝶因此才能在雨中翩翩起舞。正如《還珠格格》片尾曲《雨蝶》中所唱的那樣"我向你飛，雨溫柔地墜"。正因為蝴蝶的翅膀不沾水，它才能感受到雨的溫柔。而當(dāng)把蝴蝶翅膀表面的鱗片去掉時，翅膀的超疏水性就不復(fù)存在了。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]及作者制作）

說到這里，你一定想到了另一種超級不沾水，甚至能"輕功水上漂"的生物。沒錯，它就是在我國江河湖泊中廣泛分布的水黽（mǐn），別名水蜘蛛，水蜢子等。

（圖片來源：）

那水黽又是怎么做到能在水面健步如飛，甚至凌空跳起捕捉食物的呢？

謎底就藏在水黽的腿部。當(dāng)把水黽的腿放大來看時，可見他的腿上均勻排列著長度在20微米左右的剛毛。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[6]及作者制作）

進(jìn)一步把一根剛毛放大來看，可以看到剛毛上又分布著螺旋狀的 納米級凹坑。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

同樣的道理，空氣被有效地吸附在這些微米級剛毛和納米級的螺旋狀溝槽的縫隙內(nèi)，形成一層穩(wěn)定的氣墊，阻礙了水對水黽腿部的浸潤。

從這些生物上找靈感制成超疏水材料

大自然孕育了這些有著超能力的生物，而我們?nèi)祟愅瑯涌梢缘婪ㄗ匀唬蒙锓律鷮W(xué)，制備出仿生"神器"，來為我們的日常生活服務(wù)。比如購物網(wǎng)站上就有利用荷葉效應(yīng)制備的衣物，可以有效的避免衣物被飲料污水等液體弄臟，即使有粘性的污物附著也可以輕松用水沖洗干凈。

△（圖片來源：）

△（圖片來源：）

我們應(yīng)該相信，隨著科技的發(fā)展，仿生超疏水材料一定會越來越多的走進(jìn)我們的生活。這些材料可能應(yīng)用在建筑表面，從此玻璃瓷磚都能一塵不染；可能應(yīng)用在汽車表面，從此我們的車子就不需要因為沾染灰塵污垢而經(jīng)常沖洗；也可能會做成帽子戴在我們的頭上，從此我們的腦袋就不會再進(jìn)水……

參考資料：

[1] Feng L, Li S, Li Y, et al. Super‐hydrophobic surfaces: from natural to artificial[J]. Advanced materials, 2002, 14(24): 1857-1860.

[2] Gao X, Jiang L. Biophysics: water-repellent legs of water striders[J]. Nature, 2004, 432(7013):

[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. 從自然到仿生的超疏水納米界面材料[D]., 2003.

[5]徐琳, 丁建寧, 李伯全, 等. 蝴蝶翅膀表面超微結(jié)構(gòu)與浸潤性機(jī)理分析[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)報), 2009, 30(4): 347-351.

[6]田為軍, 張興旺, 王驥月, 等. 水黽多腿并排表面的疏水性能[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報, 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.