◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.3322.org)(xys.dyndns.info)◇◇   荷叶不疏油、水黾可亲水   曹建平 北京化工大学应用化学系   北大物理系李正孝老师在《世纪大讲堂》中说,荷叶表面有纳米结构。这种 结构可使荷叶有双疏效果,就是不沾水也不沾油,即油和水在荷叶上的接触角都 大于90°。有报道解释说这种结构有极强的吸附空气的能力,会在其界面上形成 一层气膜,使水、油接触不到荷叶。中科院化学所江雷也认为荷叶有双疏效果。 但用能接触到的所有荷叶做验证实验。结果是荷叶不疏油,机油、食用油都可侵 润荷叶(图1),可在荷叶上产生毛细现象。   荷叶水珠的下层有亮晶晶的反光,这说明水珠与荷叶间却有一层空气,水珠 下层的反光是光线照入水珠在水珠下层发生反射时产生的。用显微镜、电子显微 镜观察荷叶表面,可看到荷叶表面有无规则、分布均匀的菜花状透明发白的点, 暂称为蜡点。再用显微镜观察荷叶上水珠的全反射面时会发现,荷叶上水珠的反 光面不是平整一片,反光面上有很多不反光的突起,突起对应着蜡点,突起点占 反光面的很小部分,反光面在蜡点间,反光面是弯曲的。通过观察可以判断出荷 叶上水珠下空气的厚度是相差极大的,大约从0-20微米。如果是纳米物质吸附 的空气,那么被吸附空气的厚度宏观上应是一致的。在干荷叶上打一个直径3毫 米的大洞,或用针扎一片小洞,荷叶上水珠可停留在洞上方,不会从洞中流出来。 (干荷叶上也有蜡点,水在其上也可形成亮晶晶的水珠,鲜荷打洞,叶洞的边沿 有液体渗出,水会从洞中漏出。)荷叶洞中没有纳米结构,是空的。洞中水之所 以不下流,是因为洞周边的蜡点疏水,托住了荷叶上面的水,洞中间的水又被水 的表面张力拉住,所以水不能漏出。荷叶蜡点间的距离约10-20微米,水在蜡点 间也同样会被水的表面张力拉住,使之不能进入蜡点之间的空隙,从而使蜡点间 隙被空气占据,形成了一块块小的可进行全反射的反光面。平滑的蜡块、聚四氟 乙烯片疏水,其上的水珠没有全反射层。随机找到的粗糙的蜡块、聚四氟乙烯片, 表面没有处理成纳米结构,但其上可以形成有全反射光的亮晶晶的水珠,就是水 珠下有空气。这些都说明荷叶水珠下面有空气可以不是纳米结构吸附引起的。   另有报道江雷发现了水黾(一种水面昆虫)腿不沾水的原因(此发现被评为 2004年中国十大科学发现之一),报道中说水黾腿上的刚毛和刚毛上的沟槽是纳 米结构,可以吸附空气,使水不能侵润水黾腿并使水黾腿超级疏水,因此水黾就 可以在水面走跳,可以经受暴风雨。用这一原理还可以造无舷的船,可实现水上 行走。   但观察、实验的结果与江雷的发现有所不同。   首先活的水黾不是总疏水的,在大的水流扰动下,或强制水黾入水不长一段 时间后,水黾是可以有亲水现象的(图2)。其次死后的水黾其疏水能力是逐渐 减退的,在空气中死亡的水黾最后也是要亲水的。   观察水黾稍长时间会发现,水黾口器中可以分泌出一种液体(图3)。水黾 的口器、前腿、中腿、后退、胸腹间经常相互梳理、摩擦。前腿与口器间的摩擦 次数多于前腿与中腿的摩擦次数,中腿与前腿的摩擦次数多于中腿与后腿的摩擦 次数,这样腿间的梳理、摩擦可使水黾口器中分泌出的液体传递到全身表层。所 以这种液体应是疏水物质。   用显微镜观察水黾可发现。水黾的口器中有4根丝或管,直径约20-40微米。 水黾的腿上有很多朝向腿部远端的刚毛,刚毛尖之间的距离约20-30微米。   从水平面下的侧面观察水黾,因为水面发生全反射,所以不能看到水黾腿, 只可看到水面下的全反射面上有六个坑,对应着水黾的六条腿。   实验   活水黾强制入水时,可见水黾身体和腿部两侧都有反射光,反射光很亮、均 匀、连续。说明水黾体表有一层空气,光线从水中照到水黾体表的空气上时会发 生全反射。水黾死后全反射光会逐渐减弱,腿部的反射光会有间断。   因水扰动或在水中挣扎水黾腿亲水后(表层疏水网会出现缺陷,水可进入刚 毛根部),将水黾取出放在干燥地面凉干,并控制水黾不允许水黾的腿间互相梳 理摩擦,一段时间后把水黾放入水中水黾腿可自动疏水。   实验中水黾腿的纳米结构没有变化,但实验现象有疏水、亲水又疏水的变化。 这说明水黾的亲水、疏水与水黾的纳米结构无关。   取活水黾一只,左中腿前端一小段用丙酮(一种可洗掉油污的溶剂)擦洗, 在31℃的空气中凉干22分钟,并控制水黾不许水黾的腿互相梳理摩擦,之后放入 水中,这一小段腿亲水,从水平面下的侧面观察可以看到这一小段腿突破了全反 射面(水平面),进入水平面之下并且这一小段腿表面无反光。之后水黾前腿不 断与口器摩擦又与左中腿摩擦,其间左中腿有抬在水面上静止不动(凉干水分) 的动作。37分钟时左中腿又疏水了,再从水平面下的侧面观察会又看不到这一小 段腿了。   丙酮洗过的水黾腿如不能与其它腿摩擦,此腿就不能再疏水了。   如使水黾长时间不能梳理、摩擦其一条腿,此腿会亲水并不能再疏水。   从实验可看出只有纳米结构的水黾腿是不能疏水的,必须有疏水物质(口器 中的分泌物)水黾腿才能疏水。所以水黾口器中分泌出的这种液体应是疏水物质。   把死后不久的水黾腿部分竖直放入水中,观察到过两种现象。一是水黾腿上 连续的反光段上部可在瞬间消失,水从刚毛间有缺陷的位置快速进入刚毛间隙, 原来在水面下刚毛间的空气从在水面上部水黾腿的刚毛间快速跑出了。这说明水 黾刚毛间的空气是与大气相通的。二是水黾腿上出现不连续的反光段,反光段会 从下部开始逐渐缩短,在水下的反光段顶部会出现气泡并不断变大至反光段停止 缩短,水缓慢地进入了刚毛间隙,原刚毛间的空气被水缓慢挤出(图4)。   实验中水黾腿刚毛上的疏水物质没有变化。刚毛间空气被水挤出部位的水黾 腿不再有全反射反光,说明有纳米结构有疏水物质的刚毛表面原有的空气没有了, 说明原刚毛间的空气不是被纳米结构吸附滞留(困)在刚毛上的。   用显微镜观察水黾腿还可发现,水黾腿刚毛间空气的厚度也是相差极大的。   假设水黾的腿却实是因为吸附着空气,使水黾腿不会踏破水面,能在水面行 走。那么水黾能在水面走跳也总要有对水黾的支撑力,支撑力也只能是水的表面 张力。清水 25℃时表面张力是0.072牛顿/米。无舷船载人,如同水黾腿踏在水 面上一样,也要有船腿踏在水面上。如人体重量是60公斤,那么不算船的重量, 踏在水面的船腿的总长度至少是4027米。水黾踏在水面上的腿总长约4厘米,体 重30毫克。无舷船载人,如按水黾的保险系数,不算船的重量,无舷船踏在水面 的船腿的总长度是8万米。无舷船可行吗?   附:   中科院化学所研究员江雷谈知识创新工程   http://www.chinafm.org.cn/_contents/2005/03/18/20-463.shtml   我国科学家揭开水黾轻功奥秘   http://world.ynet.com/view.jsp?oid=4150736&pageno=1   2004年中国科学家十大发现   http://www.kxdb.com/200501/news/printpage.asp?id=142 (XYS20050921) ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.3322.org)(xys.dyndns.info)◇◇