? ? ? ?從荷葉到豬籠草——從“滾”到“滑”的轉(zhuǎn)變
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　　獵物為什么無(wú)法逃離豬籠草的捕籠？
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　　眾所周知，豬籠草的葉片特化為一個(gè)個(gè)捕籠。當(dāng)昆蟲(chóng)或者其它小動(dòng)物被捕籠頂部的蜜腺吸引而靠近捕籠時(shí)，就會(huì)跌落至籠底，淪為豬籠草的盤(pán)中餐。
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　　那么落入捕籠的昆蟲(chóng)為什么無(wú)法沿著捕籠內(nèi)壁攀援而上逃離虎口呢？
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　　有些豬籠草的捕籠內(nèi)壁覆蓋著一層光滑的蠟質(zhì)，使得落入捕籠的昆蟲(chóng)在內(nèi)壁上站立不穩(wěn)，很難逃出生天。不過(guò)也有一些豬籠草捕籠的內(nèi)壁并沒(méi)有蠟質(zhì)，它們阻止獵物逃脫，靠的是覆蓋在內(nèi)壁上的薄薄一層雨水。我們都有這樣的體驗(yàn)：在灑了水的地板上行走，一不留神就會(huì)滑倒，這說(shuō)明液體能夠提供比固體更好的潤(rùn)滑作用。而其背后的機(jī)制，在于液體可以通過(guò)流動(dòng)保持分子層面上的光滑，這是任何固體都望塵莫及的。
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　　但細(xì)心的讀者馬上會(huì)想到一個(gè)問(wèn)題：豬籠草的捕籠經(jīng)常處于傾斜甚至豎直的狀態(tài)，其內(nèi)壁上即使有水，也會(huì)很快流走，然而豬籠草內(nèi)壁即便在降雨結(jié)束后一個(gè)小時(shí)仍然能夠保持光滑效果，這又是什么原因呢？
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　　答案仍然是我們前面提到的微觀結(jié)構(gòu)。
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　　如果一種固體的表面能夠被某種液體浸潤(rùn)，那么當(dāng)固體表面從平滑變粗糙時(shí)，表面積的顯著增加為液體提供了更多與固體接觸的機(jī)會(huì)，使得更多的液體能夠更加持久地停留在固體的表面。這其中的典型例子就是廚房中的海綿，海綿之所以能夠吸收和保持更多的水分，正是因?yàn)閮?nèi)部充滿大量微小的孔洞。同樣，豬籠草內(nèi)壁的表面也布滿許多微觀結(jié)構(gòu)，這些看不見(jiàn)的“海綿”使得內(nèi)壁表面能夠較長(zhǎng)時(shí)間地被水覆蓋，保持光滑的效果。這樣的表面，科學(xué)家們稱之為“液體浸潤(rùn)多孔光滑表面”，簡(jiǎn)稱為SLIPS 。
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　　SLIPS表面——“升級(jí)版”超疏水表面
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　　受到豬籠草的啟發(fā)，研究人員開(kāi)始嘗試人工建造SLIPS表面，并且很快發(fā)現(xiàn)，這種具有非凡本領(lǐng)的表面可以由超疏水表面經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的“升級(jí)”而來(lái)。布滿微觀結(jié)構(gòu)的超疏水表面雖然滴水不沾，卻和一些含氟的液態(tài)有機(jī)物“志趣相投”，可以被后者浸潤(rùn)。因此，如果把這些液體涂到超疏水表面，它們就可以長(zhǎng)久地呆在那里，不會(huì)流走。如果我們把水滴到這樣的表面上，由于水既不能浸潤(rùn)超疏水表面，也無(wú)法與這些含氟的液體互溶，因此只能停留在表面上，而表面由于含氟液體層的存在非常光滑，因此只要我們稍稍傾斜，水滴就會(huì)滑落而下。顯然，在低溫天氣下，這樣的表面應(yīng)該有效阻止冰層的形成，而實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)。例如在2012年的一項(xiàng)研究中，在低溫下，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)傳統(tǒng)的超疏水表面也堅(jiān)持不住開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)冰時(shí)，SLIPS表面的大部分區(qū)域仍然保持初始狀態(tài)，彰顯了這一類(lèi)表面的威力。



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　將普通的鋁的表面（上）經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)化成SLIPS表面（下）后，低溫下固體表面結(jié)冰的過(guò)程大大延緩。即便最終冰仍然會(huì)在SLIPS表面形成，升溫后也較為容易除去。
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　?。▓D片來(lái)源：參考文獻(xiàn)）
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　　與超疏水表面相比，SLIPS表面最大的優(yōu)勢(shì)在于它具有一定的自我修復(fù)能力。超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu)一旦被破壞，就無(wú)法再生，但SLIPS表面如果某個(gè)區(qū)域的液體遭受損失，周?chē)囊后w并不會(huì)對(duì)此“袖手旁觀”，因?yàn)檫@些液體能夠浸潤(rùn)固體，所以它們總是會(huì)試圖和固體保持接觸，而不是讓固體暴露在空氣中，所以馬上就會(huì)填補(bǔ)過(guò)來(lái)。另外，目前用于防冰的SLIPS表面大多使用沸點(diǎn)較高的液體，它們不會(huì)像水那樣在使用過(guò)程揮發(fā)殆盡。
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　　用水來(lái)抗冰？我國(guó)研究人員將天方夜譚變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)
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　　不過(guò)，一些研究仍然表明，SLIPS表面中起潤(rùn)滑作用的液體會(huì)在結(jié)冰-除冰的循環(huán)中不斷流失。當(dāng)這些起到潤(rùn)濕作用的液體消耗殆盡時(shí)，SLIPS表面就退化成超疏水表面，而使用者也不得不面對(duì)后者的弊端。
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　　針對(duì)這一問(wèn)題，來(lái)自我國(guó)的研究人員對(duì)SLIPS表面進(jìn)行了改造，不再使用有機(jī)物液體，而是改用水來(lái)浸潤(rùn)固體表面。
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　　用水來(lái)對(duì)抗結(jié)冰，這聽(tīng)起來(lái)像是天方夜譚，但實(shí)際上正是研究人員的高明之處。他們?cè)诔Ｒ?guī)的固體表面涂上一層具有吸濕性的高分子材料。由于這一層高分子材料的存在，空氣中的水汽很容易凝結(jié)到固體表面，形成一層薄薄的水膜。就像鹽水比純水需要更低的溫度才能結(jié)冰一樣，溶解了高分子材料的水膜，其凝固點(diǎn)也顯著降低，可以在-25 oC的低溫下仍然保持液態(tài)。當(dāng)這樣的固體表面結(jié)冰時(shí)，冰層和固體之間實(shí)際上夾了一層水膜。由于水膜的潤(rùn)滑作用，冰層和固體之間的黏附作用相當(dāng)微弱，我們只需要很小一點(diǎn)力就可以將冰層清除。當(dāng)然，如果氣溫低于-25 oC，原本起潤(rùn)滑作用的水膜也結(jié)了冰，這樣的表面自然起不到防冰的效果，但通過(guò)調(diào)整高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，理論上我們可以將水膜的凝固點(diǎn)進(jìn)一步降低，從而讓表面的防冰能力在更低的溫度下也完好如初。
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　　從防結(jié)冰到易除冰，“低界面韌性表面”返璞歸真反而最佳？
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　　剛才提到的這項(xiàng)研究實(shí)際上標(biāo)志著致力于表面防冰研究的科學(xué)家們開(kāi)始調(diào)整思路，不再關(guān)注于如何防止固體表面結(jié)冰。畢竟，無(wú)論是超疏水表面還是SLIPS表面，要想做到在任何條件下都絕對(duì)不能結(jié)冰是很困難。因此，研究人員開(kāi)始思考如何降低固體和冰層之間的黏附作用。這樣的表面也許在低溫下很快就會(huì)結(jié)冰，但只要我們輕輕一碰，并不牢固的冰層就會(huì)從固體表面滑落。顯然，這樣的固體表面在實(shí)際應(yīng)用中也有著不可估量的價(jià)值。
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　　那么如何找到這樣的表面呢？前面提到的水膜潤(rùn)滑無(wú)疑是個(gè)很好的例子。而在今年早些時(shí)候發(fā)表在《科學(xué)》上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自美國(guó)密歇根大學(xué)的研究人員另辟蹊徑，提出了新的思路。他們指出，固體表面涂層的韌性對(duì)于固體與冰層之間的黏附力有著顯著影響。所謂韌性，指的是材料吸收能量、抗擊沖擊的能力。例如一個(gè)玻璃瓶從高處落下會(huì)粉身碎骨，而塑料瓶從同樣高度落下則安然無(wú)恙，因此我們可以說(shuō)塑料的韌性要優(yōu)于玻璃。
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　　研究人員發(fā)現(xiàn)，降低固體表面的韌性不僅會(huì)降低破除表面冰層所需的力量，還會(huì)導(dǎo)致一個(gè)有趣的現(xiàn)象：對(duì)于一定寬度的常規(guī)固體表面，隨著長(zhǎng)度增加，固體與冰層之間的相互作用也自然隨之增加；然而如果將固體表面的韌性控制在一定程度以下，達(dá)到所謂“低界面韌性表面”，當(dāng)固體長(zhǎng)度超過(guò)一個(gè)很小的臨界值后，長(zhǎng)度繼續(xù)增加，固體與冰層之間的作用不再隨之增加，而是趨于恒定。
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　　考慮到實(shí)際應(yīng)用中迫切需要防冰除冰的多是機(jī)翼、輸電線路、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等較長(zhǎng)的物體，這一發(fā)現(xiàn)的意義是不言而喻的：即便是前面提到的超疏水表面或者SLIPS表面，一旦表面最終結(jié)冰，除冰所需的力量仍然會(huì)是相當(dāng)可觀的。相反，這種低韌性的表面卻能夠保證除冰所需的力量始終維持在較低程度。而且與前面提到的若干防冰表面不同，這種表面不需要特殊的物理或者化學(xué)結(jié)構(gòu)，只需通過(guò)降低常規(guī)涂層厚度和向涂層中添加增塑劑等簡(jiǎn)單的辦法就可以實(shí)現(xiàn)。
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　　在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究者先是在鋁條表面涂上較為疏水、因此也具有一定防冰能力的聚二甲基硅氧烷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面結(jié)冰后，即便將鋁條彎曲較大的幅度，冰層也不會(huì)脫落。但如果對(duì)這一聚二甲基硅氧烷涂層進(jìn)行若干處理以降低其表面韌性，只要稍微彎曲鋁條，冰層就會(huì)斷落。在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員在一塊一米見(jiàn)方的鋁板表面涂上低韌性的聚二甲基硅氧烷涂層，然后將鋁板置于冬季室外任其結(jié)冰。觀察表明，隨著結(jié)冰的發(fā)生，冰層自身的重力就足以破壞冰層與固體之間的黏附作用，導(dǎo)致冰層脫落。因此，這種固體表面雖然乍一看不像超疏水表面和SLIPS表面那樣能夠阻止冰層的形成，在實(shí)際操作中，它的防冰效果可能反而要大大優(yōu)于前二者呢。



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圖A：“低界面韌性表面”的防冰效果既優(yōu)于普通的固體表面（左），也超過(guò)了傳統(tǒng)的防冰表面（中）；圖B：用低界面韌性表面涂層處理后的鋁板在室外的防冰測(cè)試。
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　?。▓D片來(lái)源：參考文獻(xiàn)）
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　　結(jié)語(yǔ)
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　　這一系列新的研究的問(wèn)世，表明科學(xué)家們對(duì)于表面防冰除冰的認(rèn)識(shí)不斷深入。當(dāng)然，這一領(lǐng)域還存在的不少有待解決的難題，開(kāi)發(fā)持續(xù)耐久、且在各種條件下都能較好防止冰層形成的表面仍然是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。不過(guò)相信隨著材料學(xué)的進(jìn)步，我們?cè)诙緯?huì)越來(lái)越少地受到結(jié)冰的困擾。
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