“表面”文章大有可為

松園

鴨子有一身不沾水的羽毛，這是因為它們的羽毛上有一層油；荷花能“出污泥而不染”，荷葉可將水滴抖落得干干凈凈，這是因為其外表覆蓋著一種像蠟一樣的物質(zhì)，科學(xué)家們稱這種表面為“拒水表面”。

荷葉的拒水表面上布滿“小包”，它們緊緊地挨在一起，形成了一個針對于葉面的“保護(hù)層”。你可以將那些“小包”想象成無數(shù)撐開的“雨傘”，“雨傘”的下面形成了一層極薄的“氣墊”。當(dāng)雨滴落下時，“氣墊”中的空氣并沒有排出去。由于“小包”間的距離非常小，空氣讓雨滴無法穿過縫隙進(jìn)入到真正的葉面上，因此雨水便只能在“小包”上面滾來滾去了。滾落的雨滴帶走了葉面上的灰塵，還沖走了各種細(xì)菌。大自然是創(chuàng)造的大師，它的智慧真是令人無限神往，它的作品更是令人無比羨慕。

一種表面，一個夢想

科學(xué)家試圖使用人工生產(chǎn)的材料模仿荷葉的表面，他們發(fā)明了一種“超級排斥表面”，并用一個組合的拉丁詞為其命名，即由“一切”和“憎惡”兩個詞組成，原本的意思是“憎惡一切”。在材料科學(xué)家看來，“憎惡一切”的意思就是排斥所有的液體，包括水和油，還有血、咖啡和酒精等等。擁有這種“排斥一切”的表面是人們的夢想。

材料學(xué)家們已經(jīng)研制出了幾種不同版本的“超級排斥表面”。例如，他們嘗試用非常細(xì)的不銹鋼絲制成密集的絲網(wǎng)，它很像家里用的紗窗，但編織要細(xì)密得多，一片成人拇指指甲大小的樣品上分布著超過1200個細(xì)小的網(wǎng)格?？茖W(xué)家們在絲網(wǎng)上噴一層極薄的化學(xué)纖維涂層，從而在網(wǎng)格中形成了一個個小氣囊。任何液體接觸到這些氣囊時，都只能在氣囊上流動，而不能觸碰到真正的固體表面，這樣一來，它就和荷葉的表面很相像了。

假若把這種表面附在面料上縫制衣服，那么穿上這種衣服就不僅僅能夠保持干凈，它還是絕妙的防護(hù)服。化學(xué)家和醫(yī)生可以用它防護(hù)酸類液體、血液和其他危險液體的傷害。

表面的多種行為

科學(xué)家認(rèn)為，假若能讓材料表面有選擇地排斥，那么這些材料可以發(fā)揮的作用將更大。比如，他們就研制了一種專門對付油污染的表面，有了這種表面，清理湖泊、江河和海洋中的油污就容易得多了。要構(gòu)建這種表面，科學(xué)家們同樣需要一個極細(xì)的金屬絲網(wǎng)，然后在絲網(wǎng)上涂一層化學(xué)物質(zhì)，不同的是，這種物質(zhì)能排斥油，但對水卻是吸收的。假若你把油和水潑向這種表面，那么水會穿過表面，而油則被擋在外面。在測試中，人們使用這種表面制成的織物清除水中的油污，結(jié)果水中99%的油污都被清除掉了。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，讓表面展示一種“混合”的行為還能滿足人們的更多需求。一個突出的實例是鏡子和其他玻璃物品的表面，這些表面很容易被霧化而變得模糊不清，這是因為當(dāng)潮濕的空氣遇到了冰冷的玻璃，例如照相機(jī)的鏡頭、鏡子等，空氣中的水分會很快被冰冷的表面所凝結(jié)，這些凝結(jié)的水滴散射光線從而使玻璃變得不透明了。

科學(xué)家們一直想設(shè)計一種表面以吸收掉玻璃上的水滴，他們研制了一種和“超級排斥表面”相對立的材料——“超級吸收表面”，這種表面能將水滴平鋪到玻璃上，使水滴變成一層“水面”，這樣一來，由于玻璃上的水在任何地方都一樣厚，光線的散射便不會發(fā)生了。然而，即使這樣，也依然存在問題。假若氣溫處在0℃以下，水層便會結(jié)冰，冰上還是會結(jié)霜。事實上，這是一個棘手的問題，所以“超級吸收表面”并沒有從根本上解決問題。

為了徹底解決玻璃起霧的問題，美國麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家邁克爾·魯布納和他的同事們想到了一個更妙的辦法，那就是做一個組合的表面，它吸收水蒸氣，卻排斥水滴?？諝庵械臐駳饪梢越?jīng)過組合表面的外層，但一旦穿過外層，它們便被內(nèi)層所捕捉，黏附在了內(nèi)層上，而內(nèi)層也只是將水分子暫時“固定”住，它的奧妙在于氣體水分子在內(nèi)層無法聚在一起，它們因此就不能混合和結(jié)冰。與此同時，外層雖不排斥水蒸氣，卻能排斥液態(tài)水，因而雨滴之類若落在了這個涂層上便只能滾落下來。

在測試中，魯布納和他的研究團(tuán)隊將一些小塊的玻璃放在零下20℃的環(huán)境中冷凍1小時，然后再將玻璃放到一個溫暖而潮濕的環(huán)境中，結(jié)果是，沒有組合表面的玻璃很快便“起毛”了，但有組合表面的玻璃依然如故，表面清潔和透明。

給巨輪穿上“空氣外套”

解決玻璃“起毛”的問題是很多人的夢想。攝影鏡頭、望遠(yuǎn)鏡的鏡面常因被這種霧氣籠罩而讓人不勝其煩。不過在目前，這種表面也有缺點(diǎn)，那就是它太脆弱，容易損壞，所以暫時還無法在汽車的擋風(fēng)玻璃上發(fā)揮作用。也許下一代技術(shù)能打造出更結(jié)實的組合表面，到那時，這種表面的用處就更大了。

“超級排斥表面”的出現(xiàn)使一些科學(xué)家有了越來越多的想法，于是有人想到了更大的家伙——船。在浩瀚的海洋上，巨輪的航行非常耗費(fèi)能源，它們在水中破浪前進(jìn)必須克服巨大的阻力。當(dāng)巨大的船體劃過水流時，水和船體的摩擦對巨輪形成了強(qiáng)大的拖曳作用，假若有辦法減少這種作用，船便會行駛得更快，能量也會消耗得更少?？朔弦返年P(guān)鍵在于減少摩擦，其中的一種方法是在船體的水線以下制造一個空氣層，這就好比給巨輪穿上一件“空氣外套”，在這種情況下，船實際上行進(jìn)在空氣中，而不是在水中。

美國橡樹嶺國家實驗室的夏洛蒂·巴爾比耶研究小組決定設(shè)計一種能捕獲空氣的表面，然后給這種表面涂上一種拒水的化學(xué)涂層。為了便于測試，這些科學(xué)家先在一些鋁制的圓盤上做文章，他們在圓盤上刻上細(xì)槽，這樣的細(xì)槽在大型的船體上代表流水的通道，流水流過通道能有效地減少拖曳的力量。接下來，科學(xué)家們使用酸性物質(zhì)在通道內(nèi)部和通道之間腐蝕出一些更小的結(jié)構(gòu)，它們是一些氣孔，氣孔之外又套上一層有拒水作用的高分子聚合物，事實上，這種表面和前述的其他科學(xué)家們研制的拒水表面是類似的。

為了測試這種表面的效果，科學(xué)家們將圓盤放到水下，使用一種類似電唱機(jī)的裝置讓圓盤高速旋轉(zhuǎn)。測試的數(shù)據(jù)顯示，溝槽的深度和氣孔的大小對減少拖曳力是有影響的，這種影響還會隨著速度的變化而變化。巴爾比耶認(rèn)為，假若使用這種表面技術(shù)并且處理得當(dāng)，一艘長300米的油輪便可以在航行中減少44%的拖曳力。

可以預(yù)測，表面科技的應(yīng)用可以是非常廣泛的。科學(xué)家們正在設(shè)法將表面科技推廣到幾乎所有的領(lǐng)域。例如，人們設(shè)想使用一種表面的涂層以除去輸電線上凍結(jié)的冰層，在暴風(fēng)雪的天氣里，這種冰層會給人們帶來很大的麻煩。同樣地，類似的涂層還能減少船體上的藻類，使船舶行進(jìn)得更省力。至于其他日常的方面，例如不沾污物的衣服，不起霧的鏡子、眼鏡、車燈等等更是不勝枚舉。正因為如此，“超級排斥表面”才對科學(xué)家們具有“超級魔力”。

【責(zé)任編輯】龐 云endprint