自然界中的“納米高手”

沈海軍

納米是一個長度單位，指的是1米的10億分之一。納米技術，則是在納米尺度(1～1000納米之間)上研究物質(zhì)的特性和相互作用，以及利用這些特性的技術。在納米技術中，納米材料是主要的研究對象與基礎。

事實上，納米技術并不神秘，也不是人類的專利。早在宇宙誕生之初，納米材料和納米技術就已經(jīng)存在了。在地球的漫長演化過程中，自然界的生物，從亭亭玉立的荷花、丑陋的蜘蛛，到詭異的海蛇尾，從飛舞的蜜蜂、水面的水黽，到海中的貝殼，從絢麗的蝴蝶、巴掌大的壁虎，到顯微鏡才能看得到的細菌……它們個個都是身懷多項納米技術的高手。這些動植物們通過精湛的納米技藝，或賴以糊口，或用以御敵，一代代，在大自然中頑強地生存下來，不僅豐富了我們周圍的世界，而且給現(xiàn)代的納米科技工作者帶來了無數(shù)靈感和啟示。

潔身自好的蓮花

一提到蓮花，人們很自然地就會聯(lián)想到荷葉上滾動的露珠，以及其出淤泥而不染的高尚品格。

20世紀70年代，德國波恩大學的植物學家巴特洛特在研究植物葉面時發(fā)現(xiàn)，光滑的葉子表面有灰塵，要先清洗才能在顯微鏡下觀察，而蓮葉等葉面卻總是干干凈凈。他們利用人造的灰塵粒子污染玉蘭、林山毛櫸、蓮花、芋、甘藍等8種植物的葉面，然后用人造雨清洗2分鐘，最后將葉面傾斜15°使雨滴滑落，觀察葉面灰塵粒子殘留的狀況。實驗發(fā)現(xiàn)，有些植物葉面殘留的污染物多達40％以上；而蓮花等植物葉面的污染物殘留比例皆小于5％。

這就是所謂的蓮花效應。

那么，什么原因?qū)е铝诉@種蓮花效應呢?蓮花效應又能給植物本身帶來哪些好處呢7，

現(xiàn)代電子顯微鏡技術可以給出正確的答案。

通過電子顯微鏡，我們可以觀察到蓮葉表面存在著非常復雜的多重納米和微米級的超微結構。荷葉表面上有一些微小的蠟質(zhì)顆粒，并且覆蓋著無數(shù)尺寸約10個微米的突包，每個突包的表面又布滿了直徑僅為幾百納米的更細的絨毛。在突包間的凹陷部分充滿著空氣，這樣就緊貼葉面形成一層極薄、只有納米級厚的空氣層，從而使得在尺寸上遠大于這種結構的灰塵、雨水等落在葉面上后，不會大范圍直接接觸葉面，而要隔著一層極薄的空氣，并且其能接觸的點也只是葉面上若干個凸起的點。

這是自然界中生物長期進化的結果，正是這種特殊的納米結構，使得荷葉表面不沾水滴，可以保持清潔：當荷葉上有水時，水會在自身表面張力的作用下形成球狀。風吹動水珠在葉面上滾動時，水珠可以沾起葉面上的灰塵，并從上面高速滑落，從而使得蓮葉能夠更好地進行光合作用。

研究表明，這種具有自潔效應的表面超微納米結構形貌，不僅存在于荷葉中，也普遍存在于其他植物中。某些動物的皮毛中也存在這種結構。

這種特性可以應用在玻璃上或是戰(zhàn)機的雷達上，例如：經(jīng)過納米處理的玻璃本身也可以具有自潔效果。還有企業(yè)利用納米技術處理涂料，涂上此涂料的物體因而也擁有了自潔效果。也許在未來的世界中，我們周圍將不斷出現(xiàn)不會臟的地板、墻壁，和沒有灰塵的無線電用品。

飛檐走壁的壁虎

壁虎可以在任何墻面上爬行，反貼在天花板上，甚至用一只腳在天花板上倒掛。它依靠的就是納米技術。

過去，人們以為壁虎飛檐走壁靠的是腳掌上的神奇吸盤，憑借著“吸力”，它們才能夠讓身體自由漫步在任意一個三維空間內(nèi)。但事實并非人們想像的那樣簡單。

專家說，“壁虎漫步”靠的不是吸盤，而是腳趾上數(shù)以萬計的細小剛毛。剛毛根部有幾十微米粗，頂端分成很多更細更彎的絨毛，每根絨毛的直徑僅幾百納米，其末梢延展成扁平形。此種精細結構，使得壁虎以幾納米的距離大面積地貼近墻面。盡管這些絨毛很纖弱，但足以使所謂的范德華鍵(有些物質(zhì)的分子具有極性，其中分子的一部分帶有正電荷，而分子的另一部分帶有負電荷，一個分子的正電荷部位和另一分子的負電荷部位間，以微弱靜電引力相互吸引，使兩者結合在一起，稱為范德華鍵或分子鍵)發(fā)揮作用，為壁虎提供數(shù)百萬個的附著點，從而支撐其體重。這種附著力可通過“剝落”輕易打破，就像撕開膠帶一樣，因此壁虎能夠自由穿過天花板。

在現(xiàn)實生活中，專家們試圖據(jù)此制造出神奇的納米材料，并將其廣泛地應用到我們的生活中。比如，我們可以制造出抓地更牢的運動鞋，可以制作雨雪環(huán)境中不再打滑的汽車輪胎。而在影視劇拍攝中，演員們可以告別工作室里的電腦，真正在摩天大樓的玻璃幕墻上一展身手。據(jù)此開發(fā)出的空間探測用攀爬型機器人，無論在什么惡劣的條件下都可以在太空飛行器的外表面行走，給飛行器進行“體檢”。

貝類——嫻熟的黏合高手

這里所指的就是普通的貝類，也即我們與蔬菜一起烹飪、經(jīng)?？梢猿缘降哪欠N貝類，它們堪稱納米黏合技術的高手。

當貝類想把自己貼在一塊巖石上時，就會打開貝殼，把觸角貼到巖石上，它將觸角拱成一個吸盤，然后通過細管向低壓區(qū)注射無數(shù)條黏液和膠束：釋放出強力水下膠粘劑。這些黏液和膠束瞬間形成泡沫，起到小墊子的作用。貝類通過彈性足絲停泊在這個“減震器”上。這樣，它們就可以隨波起伏，而不至于受傷。這種牢固的膠粘效果就來自黏液和巖石納米尺度下分子之間的相互作用。

依據(jù)該項研究，專家們設想未來也許可以研發(fā)出一種醫(yī)用防水生物膠。此類粘膠不會侵害人體細胞或引發(fā)人體免疫反應，具有防水功能，能夠成為黏接斷裂骨骼和縫合軟組織的理想材料，也適用于在潮濕的口腔中修復牙齒損傷。

眼觀六路的海蛇尾

海蛇尾是一種帶甲殼的碟形海底生物，酷似海星。它有5個觸角，沒有眼睛，盡管如此，海蛇尾卻能夠敏捷地感知遠處潛在的天敵，并及時將觸角縮進殼里。海蛇尾這種靈敏的感覺，長期以來，一直令生物學家迷惑不解。

近來，這個問題終于在其甲殼上找到了答案：海蛇尾身上長滿了“眼”，即數(shù)以萬計的完美的微型凸透鏡。這樣一來，整個毛茸茸的身體就構成了其眼觀六路的眼睛。

研究還表明，一只海蛇尾身上的這種透鏡數(shù)日大約有5萬～10萬，它們都是由碳酸鈣的納米晶體組成。這種完美的光敏感微型透鏡系統(tǒng)，是海蛇尾在生長過程中，身體表面納米結晶化的結果。為了防止不必要的色邊，結晶化過程中，透鏡內(nèi)還吸收了適量的鎂，既可以幫助海蛇尾更有效地過濾光線，又可以校正透鏡的“球面像差”，進而提高發(fā)現(xiàn)天敵的效率。

自從發(fā)現(xiàn)海蛇尾的這種特性以來，科學家一直在研究將其運用于科技的潛力。比如，利用海蛇尾的特性制造出新型的光學儀器，或是為將來的通訊網(wǎng)絡發(fā)展提供線索?，F(xiàn)在世界上的大多數(shù)光纖維用于通訊業(yè)，

透鏡被用來聚焦和反射負載數(shù)字通訊信號的光線?？茖W家說，海蛇尾的光線聚焦能力是現(xiàn)有人工透鏡的20倍，通過研究海蛇尾，可能會增加光纖維傳送的信息量。

細菌：世界上“跑”得最快的生物

細菌的個頭雖小，但它們的運動速度卻相當驚人，許多細菌每秒鐘前行數(shù)十微米，一種被稱作逗點弧菌的，每秒鐘可向前游動100微米。不能小看這個數(shù)字，它相當于細菌自身體長的50倍；而一個人類運動員每秒鐘只能向前跑5，4倍于其體長的距離；即使是擅長短跑的獵豹，這個數(shù)字也只能達到25倍。從這個意義上講，細菌應當是世界上“跑”得最快的生物。

細菌世界的成員眾多，其運動方式和機制上也存在差異，但大部分能夠運動的細菌都是依靠自身的運動器官——鞭毛的作用。鞭毛是一種長的蛋白絲狀物，它附著于細菌的外表，一般長15～20微米、直徑20納米左右。

細菌鞭毛的功能相當于船的螺漿，在水中可以高速旋轉(zhuǎn)從而推動菌體前行，因此水中是鞭毛細菌自由馳騁的天地。鞭毛的旋轉(zhuǎn)速度非?？?，每秒鐘旋轉(zhuǎn)200～1000多轉(zhuǎn)，比一般的電動機要快得多，鞭毛的高速旋轉(zhuǎn)是由其附著于菌體上的基體旋轉(zhuǎn)帶動的，基體實際上就是鞭毛的基部，它由一個中軸套上2個或4個環(huán)構成，鑲嵌固定在細菌的體表(細胞膜和細胞壁)中。

在科學家的眼中，基體簡直就是一臺精巧的納米分子馬達，但這個馬達并不是靠電流驅(qū)動，而是用伴隨著細胞膜兩側(cè)質(zhì)子梯度的消失產(chǎn)生的生物能量ATP來驅(qū)動。細菌的鞭毛馬達還可以轉(zhuǎn)向(從反時針旋轉(zhuǎn)變?yōu)轫槙r針旋轉(zhuǎn))，從而使菌體發(fā)生翻滾，進而改變細菌的運動方向。事實上，細菌在游動時也并不是單純地一直朝前游，而是伴隨著不時地隨機翻滾轉(zhuǎn)向，但從表觀上看仍表現(xiàn)為細菌的前行。

自由行走于水上的水黽

小型水生昆蟲水黽被喻為“池塘中的溜冰者”，因為它不僅能在水面上滑行，而且還會像溜冰運動員一樣在水面上優(yōu)雅地跳躍和玩耍。它的高明之處是，既不會劃破水面，也不會浸濕自己的腿。

水黽是如何練就如此水上絕技?

對此，中國科學院化學所研究員江雷在國際權威期刊《自然》雜志上發(fā)表論文，揭開了水黽“水上輕功”的奧秘，并認為水黽腿部特殊的微納米結構才是真正原因。

水黽屬于水生半翅目類昆蟲，因種類不同，大小也各不一樣。一只中等大小的水黽重約30毫克，水黽的腿能排開300倍于其身體體積的水量，這就是該種昆蟲具有非凡浮力的原因所在。

江雷領導的研究小組在高倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。這些像針一樣的微米剛毛的表面上形成螺旋狀納米結構的構槽，吸附在構槽中的氣泡形成氣墊，這些氣墊阻礙了水滴的浸潤，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性(超強的不沾水的特性)。正是這種超強的負載能力使得水黽在水面上行動自如，即使在狂風暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒。

這一新的發(fā)現(xiàn)將有助于在將來設計出新型的微型水上交通工具。

利用“羅盤”定位的蜜蜂

研究表明，包括蜜蜂、海龜?shù)仍趦?nèi)的許多生物體內(nèi)都存在著納米尺寸的磁性顆粒。這些磁性納米顆粒對于生物的定位與運動行為具有重要意義。最新的科學研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的腹部存在著磁性納米粒子，這種磁性的納米粒子具有類似指南針的功能，蜜蜂利用這種“羅盤”來確定其周圍環(huán)境，利用在磁性納米粒子中存儲的圖像來判明方向。當蜜蜂采蜜歸來時，實際上就是把自己原來存儲的圖像和沿途所見的圖像進行對比。如果兩個圖像一致，即可據(jù)此來判斷出蜂巢的所在。

利用這種納米磁性顆粒進行導航，蜜蜂可以完成數(shù)千米的旅程。

五彩斑斕的蝴蝶

蝴蝶因為其翅膀上變化多端、絢爛美妙的花紋使人著迷。這也讓生物學家們感到疑惑：蝴蝶令人眼花繚亂的顏色是如何形成的，又有什么不同的意義呢?

最近，荷蘭格羅寧根大學的希拉爾多博士發(fā)現(xiàn)了解決這個問題的通道。在研究了菜粉蝶和其他蝴蝶翅膀的表面后，希拉爾多博士揭示了這個秘密：翅膀上的納米結構正是蝴蝶的“色彩工廠”。

他的研究表明，蝴蝶翅膀上炫目的色彩來自一種微小的鱗片狀物質(zhì)，它們就像圣誕樹上小小的彩燈，在光線的照耀下能折射出斑斕的色彩。蝴蝶翅膀上的顏色其實是一種身份的標志。不同顏色的翅膀，讓形色萬千的蝴蝶能在很遠的地方就可以識別出同伴，甚至辨別出對方是雄是雌。

通過電子顯微鏡的觀察，希拉爾多博士發(fā)現(xiàn)粉蝶翅膀的結構非常奇特；盡管不同種類的蝴蝶，鱗片的結構不同，但彼此之間還是有共同特征。一般來說，蝴蝶翅膀由兩層僅有3～4微米厚的鱗片組成，上面一層鱗片像微小的屋瓦一樣交替，每個鱗片的構造也很復雜。而下一層則比較光滑。蝴蝶翅膀這種井然有序的安排形成了所謂的光子晶體，也就是納米結構。通過這種結構，蝴蝶翅膀能捕捉光線。僅讓某種波長的光線透過。這便決定了不同的顏色。

會吐絲的蜘蛛

蜘蛛網(wǎng)常常出現(xiàn)在長久沒有清掃的房間角落。對于普通人而言，蜘蛛網(wǎng)并不是什么了不起的東西，用掃帚輕輕一拂，蛛網(wǎng)就被掃掉了。但是蜘蛛絲本身確實是大自然的奇跡。自然界中的蜘蛛絲直徑有100納米左右，是真正的純天然納米纖維。如果用蜘蛛絲制成和普通鋼絲繩一樣粗細的繩索，可以吊起上千噸重的物體，其強度能與鋼索相媲美。

除了用于捕捉飛蟲外，幾乎所有的蜘蛛都還用蛛絲作為指路線、安全繩、滑翔索。蜘蛛的腹部通常有幾種腺體，被稱為吐絲器。各種腺體產(chǎn)生不同類型蛛絲，腺體頂端有噴絲頭，其上有數(shù)千只小孔，噴出的液體一遇空氣即凝結成黏性強、張力大的蛛絲。通常，1000根蛛絲合并后比人的頭發(fā)絲還要細1/10。

責任編輯趙菲