賞荷時節，這些秘密你得懂

終於又可以給小夥伴賣弄一下了。

盛夏時節正是荷花開得最美的時候。在紅花綠葉的點綴下，夏日彷彿多了一絲涼意。每當提到荷花，總能想起周敦頤在《愛蓮說》中寫到的「予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖」。自古以來，「蓮」總是被文人墨客讚譽的對象，是「高潔」的象徵。可是，蓮為什麼可以出淤泥而不染呢？這就要講到蓮花的「自清潔」和「不沾濕」特性了。

荷葉效應

如果留心觀察蓮花的葉子，你就會發現荷葉上總是乾乾淨淨的，好似不留一點灰塵。這是因為荷葉表面的特殊結構有自我清潔的功能，即荷葉的「自清潔」特性。此外，我們經常會看到這樣的場景：當水滴在荷葉上時，水並沒有完全鋪展開，而是以水珠的形式停留在荷葉上，而且只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。這就是荷葉的「不沾濕」特性。荷葉的「自清潔」和「不沾濕」特性被統稱為「荷葉效應」。這一概念最早是由德國波恩大學的植物學家巴特洛特提出的。

荷葉

其實，荷葉的「不沾濕」特性也被稱為「超疏水」特性。那麼，如何界定「超疏水」這一概念呢？在明確「超疏水」這一概念前，我們要先了解表面化學中的一個概念——接觸角。如下圖所示，接觸角指的是「液－固」界面的水平線與「氣－液」界面切線之間通過液體內部的夾角θ。有了這一概念，我們可以很方便地表示液體對固體的潤濕情況。

習慣上，當θ90°時，該液體不能潤濕固體，此時，液體在固體表面縮成球形。水不能潤濕石蠟，因此表現出「圓球狀」。當與水的接觸角θ>150°時，該固體表面具有「超疏水」特性。通俗地講，我們可以認為這種固體表面有很強的排斥水的能力。除荷葉表面外，芋頭葉、芭蕉葉、海豚和鯊魚的表面也都呈現出「超疏水」特性。

芭蕉葉

荷葉的微觀結構

大量的科學研究表明，結構往往決定性質。那麼，你肯定會問：「荷葉的特性是否與它的結構有關呢？」答案是肯定的。電子顯微鏡的發展給我們的科學研究帶來了更多的可能，也使得我們能夠觀察到荷葉的微觀結構。通過電子顯微鏡的成像結果，我們可以清晰地看到荷葉表面有許多突起的「小山包」（這類結構被稱為「乳突」）。這些乳突的尺寸通常在10微米左右，這些乳突的平均間距在12微米左右。而這些乳突是由許多直徑在100納米左右的納米蠟質晶體組成。由此可見，荷葉表面存在複雜的「微米-納米」雙重結構，正是這些結構使得荷葉產生了「超疏水」和「自清潔」的雙重特性。

荷葉表面的蠟質是產生疏水性的根本原因，因為蠟質晶體本身的化學結構具有疏水性，所以當水與這類表面接觸時，會形成「球狀」水滴，於是，荷葉表面便有了「超疏水」特性。荷葉表面所形成的乳突非常多，而且間隔很小，於是在乳突間會存在許多凹陷部分。這些凹陷部分充滿空氣，這樣就在貼緊葉面的地方形成了一層非常薄的納米級空氣層。而那些落在葉面上的灰塵、水滴的尺寸遠遠大於這個空氣層。所以當這些物質落在葉面上時，它們只能同葉面上「小山包」的頂端形成幾個點的接觸，而不能潤濕到荷葉表面上。水滴在自身表面張力的作用下形成「球狀」，並且在滾動中吸附灰塵等雜質，最終滾出葉面，這就是荷葉具有「自清潔」特性的原因。

由荷葉到仿生科技

自然界的生物都經歷了漫長的演化過程，在物競天擇下，生物自身的結構和功能都經過了長期的篩選、發展和優化，具有極高的效能。聰明的人類當然不會放過向大自然「學習」的機會，「仿生科技」應運而生。仿生學是研究和模仿自然界中生物體的結構、功能和生活方式的一門系統科學。它將生物的結構、功能和行為應用於現代工程系統和技術設計中，解決人類所遇到的科學技術問題。仿生不是對自然模型的簡單複製，而是對大自然中生物的理解、升華和具有創新價值的「重塑」。

那麼，把荷葉的結構應用於仿生科技中會怎樣呢？設想一下，如果我們可以擁有一件具有荷葉效應的衣服，那麼懶人的福利是不是就有了呢？（媽媽再也不用擔心我把衣服弄髒了）再者，如果在汽車表面塗覆上一層類似荷葉的塗層，那麼洗車店老闆是不是從此要無限期歇業了？這些想法看似無厘頭，但是已經得到了技術支持。據英國《每日郵報》報道，澳大利亞墨爾本服裝技術品牌公司Threadsmiths發明了一種名為The Cavalier的特殊T恤。

與傳統T恤相同，它們都是百分之百棉質的，其特殊之處在於能夠有效防止大部分液體和污漬的侵入。往這些衣服上潑水，它們仍然會保持乾爽。往上面潑可樂或者其他飲料，帶有顏色的液體會形成珠子從上面滾落下來。即便用高壓水槍噴射它們，衣服依然保持乾爽。不了解荷葉效應的人或許覺得這是在變魔術，而看過前文後就能知道其中的奧秘。Threadsmiths官方網站上也發表聲明說「他們的靈感來自荷葉」。

日前，美國Ultra-Ever Dry攜手日本尼桑率先把自清潔技術應用到了汽車上。Ultra-Ever Dry是一種納米級物料，擁有超強的疏水性能和自清潔性能，而且可以作為功能性塗層，覆蓋在我們所要求的材料上。日本尼桑公司將這種材料塗覆在汽車表面，成功打造出了第一款具有自清潔功能的汽車。為了對比自清潔效果，尼桑在旗下一款MVP車型Note上作了一個簡單的測試：一半車身噴洒了Ultra-Ever Dry材料，另一半保持原樣，然後在泥濘的道路上進行測試。在測試中可以看到，泥污落在塗覆有納米材料的車身上後會變成一顆顆泥水珠，徑直滑下。

最終結果顯示，未改動的車身布滿泥污，塗覆有納米材料的車身仍然潔凈如初。Ultra-Ever Dry材料之所以具有超強的疏水性能和自清潔性能，是因為它模擬了荷葉表面結構。這種材料塗覆在汽車表面後可建立一個細微的空氣層，這與荷葉表面乳突間凹陷的空氣層類似，使得泥污無法接觸其表面。簡言之，這個空氣層就是一個疏水性納米級絨毛層，這與荷葉上的蠟質乳突作用相同，使得水珠等雜質無法與物體表面接觸。由於自身表面張力的作用，落在上面的水滴呈現「球狀」，並且在滾動過程中吸附雜質，最終脫離表面，實現了自清潔功能。

車窗左邊未使用疏水鍍膜，右邊使用疏水鍍膜

關於荷葉效應的應用還有很多，前文提到的仿生科技只是冰山一角，筆者只是選取了一些與生活相關且最近發布的應用與大家分享。此外，荷葉效應在化工行業、建築塗料、廚房用具等領域的應用還有很多。有理由相信，隨著科技的進步，荷葉效應的應用範圍還會更廣。

作者：孟麗

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