“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，荷花的圣洁已经被人们称颂了近千年之久。现在，科学家们终于发现了荷叶一尘不染的秘密。这一发现不但令人们感叹大自然的精妙构思，还给材料科学家带来启发。一场自清洁材料的革命因此揭开了序幕，有望使人们摆脱污渍的烦恼。
20世纪90年代，德国波恩大学的植物学家巴斯洛特首次发现并解释了荷叶的自清洁效应。他在用扫描电子显微镜观察植物叶面时，为防止微小灰尘带来的干扰，总是将叶面清洗干净。但是，他发现有些植物几乎总是保持一尘不染，荷叶就是其中杰出的代表。通过扫描电子显微镜，他发现荷叶表面分布着许许多多尺寸20～40微米的凸起结构，而整个荷叶，包括这些凸起结构的表面，又被更为微小的纳米尺度的植物蜡的晶体所覆盖。这种独特的结构就像是一片连绵不绝的长满参天大树的丘陵。植物表面的蜡本身具有疏水的功能，而表面微小的凸起结构可以吸附空气，这一层薄薄的“气垫”可以托起落在表面上的水滴。由于水滴与荷叶表面的实际接触面积非常小，因而水滴在荷叶上可以像小球一般自由滚动。同时，微小的凸起结构也使得荷叶表面的灰尘和污物与叶面的接触面积很小，这样就减小了污物与荷叶之间的相互作用力。当水滴在叶面上滚动时，污物就很容易黏附在水滴上，随着水滴的滚动被带走，因此荷叶在雨后显得格外清爽洁净。荷叶的超疏水性依赖于表面疏水的植物蜡和表面独特的凸起结构。科学家们对自然界中的其他生物比如芋头叶、紫罗兰等进行探索，发现许多植物叶面都有疏水的功能。水稻的叶子不但有疏水的功能，而且由于其微观凸起平行于叶边缘有序排列，还可以使水滴定向滚动。除此之外，鸭、鹅、部分水鸟的羽毛表面具有微小的条形结构，这样使得水更易于定向排除，自身不容易被沾湿。
现在，科学家们在实验室中可以用各种各样的物理或者化学方法制造出类似荷叶结构的自清洁表面。金属、塑料、有机物等疏水物质通过构造微米或纳米级别的复合表面结构，就可以拥有自清洁的功能。科学家们以简单的溶液成膜的方法，通过改变成膜物质的组成或成膜条件，十分简便地在普通塑料表面上构筑了荷叶般的凸起结构，赋予了塑料超疏水的功能。冰箱内胆上也采用了纳米超疏水材料，这种材料有独特的凸起结构，并在其上面附着一层仿植物蜡，这样内胆表面上的小水滴就会自动滑落而不在内胆上沉积，从而避免内胆表面出现结霜、结冰现象。瑞士的一家公司则将纳米颗粒黏结到织物纤维上，形成类似荷叶表面的粗糙凸起，可以使织物具有排斥咖啡、红酒等污渍的能力。虽然目前投入到市场中的具有自清洁功能的商品并不多，但是我们已经可以看到自清洁革命的一线曙光。除了自清洁之外，类似荷叶结构的表面还有着更加广泛的用途：把它应用在卫星天线上，可以防止因为积雪而造成信号变差；应用于管道中，可以减少液体运输中造成的损失；作为人体植入材料，可以防止因生物分子的沉积而造成血栓等问题。
荷叶上的一滴水珠给予的启发已经可以解决这么多的难题，而这还远不及大自然智慧的万分之一。地球上的生物经过亿万年的进化，每一种都有其值得让人学习的独到之处。研究生物给人类的启示，逐渐成为新兴的学科，即“仿生学”，也就是通过对生物的结构和性质的研究来为工程技术提供新的设计思想和工作原理的科学。今后当我们遇到困难的时候，也许大自然早就给我们准备好了答案。
（摘自张靓、赵宁、徐坚《荷叶“一尘不染”的秘密》）
微信扫码预览、分享更方便
