第1章便捷的自清洁
1.1 超疏水表面
1.1.1 自然界的“轻功”
1.水黾与鸭子
目前地球上已知的动物大约有150万种，我们在生活中会遇到许多有趣的动物，它们为了生存和繁衍，习得了各式各样的“江湖绝技”，如长颈鹿的“铁头功”、猴子的“飞檐走壁”、穿山甲的“铁布衫”，等等。我们对这些“武林高手”的“江湖绝技”已经进行了初步了解，我们也希望将这些“绝技”应用到日常生活和科技发展当中。因此，对这些“绝技”背后科学原理的探索也越来越重要。*先，在这里为大家介绍两名“轻功”高手：水黾与鸭子！
夏秋季的时候，我们或许会注意到许多像蚊子一样的小虫子漂在河面或是小区人工湖的水面上，它们通常聚在一起，行动也很迅速。“卖香油的”“水拖车”“水蚊”“水蜘蛛”都是人们对它的称呼，这种虫子的学名叫做水黾（图1-1左），身体长度通常在1～2厘米之间，体重也就几十毫克。它们的单眼在进化过程中逐渐退化，但发达的复眼能保证其生存，当感知到有生物掉落水中时，水黾会以极快的速度（1.5米/秒）赶到附近，等落水的“食物”不再挣扎后，水黾就会把呈管状的嘴插进“食物”内部吸食营养成分。水黾之所以能以这么快的速度在水面行走，原因是它的中足和后足又细又长，后足部分分布着结构特殊的刚毛，与其接触的那部分水面会托住整个身体，减少水黾与水面的接触，中足部分用来划水和跳跃，后足辅助中足形成在水面上滑行的移动方式，水黾的“轻功水上漂”也由此而来。
从影视作品中的卡通形象、填充鸭绒的衣物到餐桌上的鸭肉，鸭子可以说是我们生活中非常熟悉的一种动物。鸭子属于陆生动物，但它们喜欢在水中嬉戏（图1-1右），捕食小鱼、昆虫等，而且游动速度可以超过一些鱼类。鸭子具有这么快的游动速度，主要是因为它们具有蹼状的脚，增大了与水的接触面积，使得鸭子单次划水能够将身体推动得更远；同时，鸭子的尾部有一个不断分泌出油脂的尾脂腺，鸭子会将头先贴近尾脂腺的位置，用头部羽毛蘸取一部分油脂，再擦拭到全身的羽毛上。油脂覆盖在羽毛表面，既能减少羽毛与水的摩擦，提高鸭子的游泳速度，同时也能起到自清洁的作用，使羽毛长时间保持洁净的状态。
水黾的足部与鸭子的羽毛赋予了它们*特的运动方式，那人类是否可以像水黾一样轻盈地站在水面，或是像鸭子一样在水面滑行呢？让我们借助科技的力量探索水黾与鸭子成为“武林高手”的奥秘[1]。
图1-1 水黾与鸭子在水面上的状态
2.如何练就“轻功水上漂”
水黾能够毫不费力地站立在水面并快速移动，在过去的很长一段时间里，都被认为是水黾腿部分泌的类蜡物质引起的表面张力效应。生活中我们所见到的一些现象，如毛细管吸取液体、呈圆形的水滴、吹出的圆形肥皂泡泡、水可以溢出水杯面而不流下等都是由表面张力引起。液体的表面张力来源于液体与气体或固体表面接触所产生的拉力，这个力会阻止液体表面积的增大（表面张力相关介绍见本书1.1.2节）。水黾腿部覆盖着大量具有纳米沟槽的定向微刚毛（图1-2），在与水面接触时，沟槽内的空气使得水黾腿部表面张力非常低，难以被水润湿（润湿与接触角相关介绍见本书1.1.2节），存在水面对水黾腿部的支撑力，水黾也因此具备了“水上漂”的能力。
图1-2 水黾腿部的微结构图（由光学显微镜和场发射扫描电子显微镜拍摄）
鸭子在水中的游泳速度快，不仅仅是因为其羽毛表面覆盖了一层油脂，减小水与羽毛的接触面积，导致鸭子游泳时水的阻力降低，还因为它们的羽毛结构与水黾的腿部类似，都是由微米级的小枝构成，这些微米结构中存在纳米级的六边形棒状阵列分布（图1-3）。当鸭子从水中上岸后，我们会发现它们的羽毛并不湿润，也不会沾染水中的污渍。这种特性不仅归功于羽毛表面的油脂层，也与羽毛中的微纳米结构密不可分，它们使得鸭子凭借羽毛能够轻易浮在水面，且难以被水润湿，从而保持干燥。
图1-3 鸭子羽毛的微结构图（由光学显微镜和场发射扫描电子显微镜拍摄）
这些表面结构赋予了水黾与鸭子“轻功水上漂”的能力，而人们对这些结构进行了大量的仿制与改进，制备了类似功能的表面。
清华大学的石高全团队[2]制备了涂覆有微/纳米纤维涂层的铜丝，将这些铜丝加工成的铜柱作为仿水黾装置的腿部（图1-4），经过测试得到仿水黾装置的每条腿在水面上的支撑力大约为83达因（力学单位，使质量为1克的物体产生1厘米/秒2的加速度的力），与水黾腿部的支撑力相当。吉林大学的张希团队[3，4]通过对比仿水黾腿部超疏水金纳米线结构与疏水金纳米线结构的支撑力，发现水黾腿部的超疏水结构能够支撑约自身60倍的重量，远远大于水黾漂浮在水面所需要的*小支撑力，即使水黾腿处于疏水状态也能支撑起自身
图1-4 仿水黾微型机器人与仿水黾结构表面微结构[2，5]
约35倍的重量。以上工作可以帮助我们理解为什么水黾可以漂浮、快速游动，甚至在水上跳跃，也为仿生减阻和快速推进技术开辟了新的应用途径。也许某一天我们也能自由地在水上行走，又或是探索地球上广袤无垠的海洋世界。2021年中科院沈阳自动化所[5]设计并制造的仿水黾微型机器人，可在红外光与磁场的联合驱动下实现可编程运动，能在水面快速游动、跳跃、翻滚，在AI（人工智能）技术井喷式发展的时代，这种以假乱真的“水黾机器人”又会在哪些地方大放异彩呢？
1.1.2 “金鸡*立”的水滴
不仅动物有“水上漂”的轻功，水滴自己其实也能“金鸡*立”。水滴的“金鸡*立”其实就是水滴仅有一小部分接触固体表面。说到这里，就不得不提固体表面的润湿性能与固体表面的各液体接触角。
润湿，通俗来说就是液体将一个物体打湿。润湿能力越强就意味着液体在固体表面越容易发生铺展或铺展的倾向性越高，而润湿能力越弱就说明液体越难在固体表面铺展开来，甚至自身会发生收缩。比如，将一杯水倒在普通玻璃桌面上，水会很快地散开，此时水能够润湿玻璃表面，说明水对玻璃的润湿性能较好；而将水倒在涂有石蜡的红木家具上会呈现“山包”形态的大水珠，说明水对涂有石蜡的红木家具表面润湿性能较差。那么一种液体在固体表面的润湿性能又是由什么来决定的呢？
如果你的身边有一只水杯，可以尝试着向其中注水，当水快要溢出时，继续缓慢地加水，*终水会在杯口微微凸出形成一个弧面而不溢出，这一现象正是表面张力引起的。表面张力作为力的一种，必然也拥有力的三要素：大小、方向、作用点，它的方向为液面切线方向，而液面上无数个点都是表面张力的作用点，力的大小由液体本身决定。全部液体的表面张力就是液面上每个点表面张力的合力，*终使得液体呈向表面积*小的球形进行收缩的趋势。吹出的肥皂泡呈完美球形、毛细管中液体的上升和下降、树叶漂浮在水面上、中性水性笔的出墨过程等，都与表面张力有关。
当液体在固体表面时，液-气界面表面张力和固-液界面表面张力的夹角被称为接触角，接触角能够反映液体在该固体表面的润湿性能，接触角越大，说明液体对该固体表面的润湿性越差，反之越好。1805年英国科学家托马斯？杨提出[6]，液体在平坦光滑表面的接触角可用方程来表达（这一方程也被称为Young方程），现如今几乎所有关于润湿性的基础研究都离不开Young方程。当水在固体表面的接触角θ趋近于0°（图1-5），表示水能完全润湿该固体表面，处于超亲水状态；当接触角10°＜θ＜90°，表示水可润湿固体表面，处于亲水状态；当接触角90°≤θ＜150°，表示水不可润湿固体表面，处于疏水状态；当接触角θ≥150°，则表示水完全不可润湿固体表面，处于超疏水状态。
图1-5 表面张力与接触角示意图
但是，目前所有的宏观固体表面都不能做到完全的平整光滑，因此，Young方程也被称为理想固体表面的液体接触角表达方程。实际的表面都存在一个粗糙度，使得液滴在固体表面的润湿状态不同于按照Young方程所推断出的结果。因此，液滴在固体表面的Wenzel状态和Cassie-Baxter状态被提出。简单来说，Wenzel状态中的液滴下端会完全与固体表面粗糙结构相嵌合（图1-6左），液-固接触面积更大，而Cassie-Baxter状态中的液滴下端仅有一部分与固体表面粗糙结构相嵌合，液-气界面仍存在（图1-6右）。这两种有关液体在粗糙固体表面的状态，使得人们对润湿有了进一步的了解，也正是因为粗糙度的存在，水滴的“金鸡*立”才成为可能。
图1-6 液体在固体表面的Wenzel状态和Cassie-Baxter状态
1.亭亭玉立的荷叶
很多的科普书或教材在介绍荷叶时总会提到《爱莲说》中的“出淤泥而不染”，而直到20世纪70年代荷叶“出淤泥而不染”的秘密才真正被揭开。
“荷”包含荷叶与荷花，它们彼此共同依托生长，荷*早出现在约一亿年前，当时的它作为被子植物的代表与称霸地球的蕨类植物抗争，成为少数存活下来的被子植物之一。从原始人类发现它的野果和根节（莲子和藕）可以食用，到荷叶效应（图1-7）的应用，作为植物界“活化石”的荷一直广受人类的关注。1977年德国波恩大学的Barthlott和Neinhuis认为荷叶效应是由于其表面包覆有蜡质的微米乳突结构，这种结构使得荷叶表面的水接触角大于150°并且具有一定的自清洁能力。2002年江雷院士等[7]提出荷叶表面的微米乳突结构上可能存在更小一级的纳米结构，阻碍了水对表面的润湿过程。荷叶表面结构的秘密逐渐被揭开，近年来类似于荷叶结构的表面也受到了广泛关注。
你是否想拥有一件不沾水、不沾污渍的衣服？2014年，澳大利亚的服装公司Threadsmiths推出了一种仿荷叶的超疏水T恤（图1-8）。研发人员采用纳米喷涂技术对纤维进行了改性，使其拥有超疏水性能，由其制成的T恤将拥有荷叶般自清洁效果，即使被泼溅上脏水也能洁净如初。美国橡树岭国家实验室与韩国三星电子共同研发了透明的超疏水薄膜技术，将这种薄膜应用于智能手机、平板电脑或其他设备的显示屏，能极大地改善屏幕附着灰尘、水渍以及指纹的问题。如果你的手机屏不容易沾染上指纹或是脏东西，那就说明它是一款优秀的耐沾污手机屏，具有疏水或者疏油性能。但不管是T恤还是手机屏幕，仿荷叶表面*大的问题就是耐久性不佳，T恤洗几次后疏水效果就会打折扣，手机屏幕用手划的次数多了就开始沾上污渍。其中的原因就是表面这些赋予特殊性能的微结构消失了，所以超疏水材料在我们生活中的使用其实并不广泛。
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