超級表面

邢鴻飛/編譯

超級表面

邢鴻飛/編譯

常春藤是自然界中最強的粘合劑之一；通過研究植物屬性，研究人員們正在開發(fā)先進的醫(yī)用膠水

●參照蜥蜴、常春藤和其他天然材料的特征有助于為日常物品實現(xiàn)卓越性能。

數(shù)千年來，人類觀察鳥類飛行并希望有一天能夠如鳥兒般飛翔——最終萊特兄弟實現(xiàn)了這一愿望。同樣，一些科學(xué)家們已經(jīng)開始盯著壁虎爬墻，考慮著人類是否有一天也具備同樣的能力。如今他們?nèi)缭敢詢敗?014年6月，一位背包負(fù)重體重達100公斤的人只利用了一對手持槳式控制桿垂直地爬上了一塊玻璃，這對尖端材料制作的控制桿的設(shè)計靈感正是來源于壁虎。

控制桿上的合成壁虎皮膚在材料科學(xué)領(lǐng)域有著眾多同類。研究人員越來越多地從植物和動物身上找到靈感，去設(shè)計表面具有特殊屬性的涂層或紋理。例如，常春藤攀附墻面的粘合劑激發(fā)了科學(xué)家們發(fā)明一種能夠幫助受損組織再生的材料。從貽貝粘合劑中提取的分子可以為靶向腫瘤細(xì)胞提供渠道。旱金蓮葉子上的脈絡(luò)令科學(xué)家們開發(fā)了可以防止雨水在飛機機翼上結(jié)冰或者避免智能手機屏幕存留不干凈指印的合成表面。竅門就是從自然中閃現(xiàn)思想火花——其中一些有著長遠(yuǎn)的發(fā)展，另一些是全新的想法——然后讓想法變成實用并耐用的現(xiàn)實產(chǎn)品。

蜥蜴的秘密

生物學(xué)家們長期以來一直認(rèn)為壁虎的無殘留、粘性的腳的秘密是被稱作剛毛的一系列微觀纖維。剛毛，遍布蜥蜴的爪墊，被認(rèn)為增加了每個爪墊的接觸面和它想要攀爬的表面，從而使原子（被稱為范德瓦爾斯力）之間的引力可以克服其他力量，例如重力。然而研究人員試圖復(fù)制使用人工剛毛的效果，并未成功。

這是因為剛毛并非是故事的全部。馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的聚合物科學(xué)家及工程師阿爾·克羅斯比（Al Crosby）說：“這些小纖維很有意思，但它們有效性不足?！彼?jīng)幫助研發(fā)“壁虎皮膚”，被美國國防高級研究計劃局用于其2014年6月的演習(xí)中。一片10×10厘米大小的壁虎皮膚承重約達318公斤。當(dāng)其他研究人員關(guān)注壁虎腳部的表面特征時，克羅斯比和他的同事們將他們的研究重心轉(zhuǎn)向其他相關(guān)問題：當(dāng)壁虎的腳接觸墻壁的時候是如何表現(xiàn)的。

研究者們對于起作用的力量做了數(shù)學(xué)模型——主要是在壁虎的爪和它所接觸的物體之間產(chǎn)生的范德瓦爾斯力，以及蜥蜴身體的重力牽引。模型讓團隊開始研究壁虎的身體結(jié)構(gòu)與那些力之間如何協(xié)作。

尤其是，壁虎的腳部有一個不同尋常的肌腱。大多數(shù)動物中，包括人類在內(nèi)，肌腱將肌肉和骨頭連接起來。但壁虎的肌腱一端直接連在其爪墊的皮膚上，另一端連著肌肉。當(dāng)壁虎將腳趾向下，腳墊上的凹槽充血，將皮膚鼓沖貼近表面。與此同時，肌腱提拉皮膚，在用力的方向產(chǎn)生一種不尋常的硬挺度。皮膚的柔軟和肌腱產(chǎn)生的強硬度結(jié)合起來，使得壁虎懸掛，而且其皮膚與物體表面順應(yīng)一致，從而壁虎被穩(wěn)穩(wěn)托住。這分散了更大面積上的重力。因此，壁虎的腳和它所攀爬的表面之間的范德瓦耳斯力大于相反方向的重力。當(dāng)壁虎需要邁步時，它會卷曲腳爪。這一行為釋放了肌腱上的張力，降低硬挺度，讓動物的腳離開物體表面。

壁虎皮膚用一種柔軟的、橡膠式的材料（如聚氨酯）用作墊子來模仿壁虎的腳，將其與如凱夫拉爾這樣的硬面料或者碳纖維結(jié)合，提供肌腱的硬挺度。材料放棄了剛毛。參與研發(fā)壁虎皮膚的生物學(xué)家，也是克羅斯比同事的鄧肯·伊爾斯奇克（Duncan Irschick）表示：“我們并不是一定要完全按照自然界的方式做研究。我們多少只是從壁虎那得到靈感，然后繼續(xù)向前?！?/p>

蛤蚧大壁虎的結(jié)構(gòu)幫助它們吸附于墻壁

攀緣植物和爬行動物

與壁虎不同，常春藤的粘合劑似乎更像膠水。常春藤產(chǎn)生一種粘性的淡黃色液體，可以將其牢牢地吸附在墻壁上，其干枯后的物質(zhì)可以承載等同于自身重量兩百萬倍的力。俄亥俄州大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師張明軍（Mingjun Zhang）說：“這是自然界最強大的膠粘劑之一?！睆埫鬈娤Ｍ軐υ撝参飳傩缘牧私鈶?yīng)用到新的醫(yī)學(xué)粘合劑研發(fā)中。

張教授發(fā)現(xiàn)，黃色液體是水、多糖和直徑約70納米的有機離子的混合體。這些微小顆粒減少液體的粘度，這有助于它蔓延到常春藤想攀附的表面，從而產(chǎn)生最大程度的接觸。納米粒子也形成一個與粘合劑中的聚合物相結(jié)合的分子。這使最終的產(chǎn)品堅固、有彈性，不像其他有些膠水那樣干了后變硬變脆。張教授認(rèn)為這種材料使用犧牲鍵合，其中的分子分離又聚合；這樣的鍵合給予骨骼和珍珠母力量，因為它們能讓硬質(zhì)材料分散某種壓力的能量而不破碎。常春藤納米粒子也可以防止裂縫蔓延，使得材料特別牢固。張教授隨后發(fā)現(xiàn)貽貝分泌的液體里的其他納米粒子，使得甲殼類動物能夠吸附在潮濕的巖石上，盡管海浪不停地對它們推拉——其力超出了大多數(shù)人造膠的承受力。還有研究人員也在海星和藤壺產(chǎn)生的膠黏劑中發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)。

一些科學(xué)家表示，納米粒子技術(shù)要想達到預(yù)期的效果需要得到更好的理解。上海科技大學(xué)仿生工程教授鐘超認(rèn)為：“知道更多關(guān)于特定氨基酸和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況，以及相關(guān)的粘附機制會很有意思?！奔永Ｄ醽喆髮W(xué)伯克利分校的材料科學(xué)家兼生物工程師菲利普·梅瑟史密斯（Phillip Messersmith）強調(diào)，該研究仍然處于初級階段，結(jié)果還不確定。他說：“我認(rèn)為自己還沒有足夠令人信服的證據(jù)來證明常春藤膠粘劑中的納米粒子在粘合中起重要作用?！?/p>

張教授也表示，如果真是納米粒子起到作用，韌性、附著力和生物基礎(chǔ)組件的結(jié)合會使常春藤納米粒子具有多種用途，他正在嘗試開發(fā)使用常春藤膠粘劑修復(fù)受損組織。理論上，含有常春藤膠粘劑的繃帶可以提供一個激勵新細(xì)胞生長的環(huán)境，像心臟這樣的器官有條件自愈。它也可以與干細(xì)胞一起，幫助愈合過程。在有蓋培養(yǎng)皿的實驗中，張教授證明，膠粘劑幫助細(xì)胞生長并附著在表面。他說：“這并非是一個簡單的機械鍵。這是一種幫助創(chuàng)建傷口愈合生物環(huán)境的生物材料。”張教授已經(jīng)開始在動物研究中進行應(yīng)用實驗，盡管他也表示在此項技術(shù)應(yīng)用到人類之前可能需要相當(dāng)長一段時間。

另一種基于常春藤納米粒子的不同涂層可能很快準(zhǔn)備就緒。張教授提出將它們用于防曬霜，取代目前使用的氧化鈦或氧化鋅。張教授發(fā)現(xiàn)，常春藤納米粒子的大小與金屬粒子大小區(qū)別不大，這意味著它們散射光線更加均勻。因此，含有常春藤納米粒子的防曬霜比傳統(tǒng)防曬霜看起來更清爽，并能阻擋更大范圍的紫外線波長。張教授也在嘗試著應(yīng)用他所了解的常春藤的機制，并將其應(yīng)用到其他材料中。他用不同的化學(xué)成分合成了納米粒子，并試圖將它們用于不同的聚合物基材。這樣應(yīng)該會產(chǎn)生不同的粘合劑以適用于不同情況，或許有一種會非常牢固，而另一種會更有彈性，“我正在試圖超越自然界?！?/p>

許多其他的研究人員也從自然中獲得靈感并將研究推向一些新的方向。梅瑟史密斯研究貽貝粘合劑，適合保護水下物品。但他希望能在不同的環(huán)境中使用工程設(shè)計的貽貝粘合劑，甚至可能應(yīng)用在太空探測器中。梅瑟史密斯說：“如果你要簡單地模仿天然材料，你會得到只有在這種天然材料進化的環(huán)境下才能表現(xiàn)良好的東西。自然從來不會進化一些材料讓它們在星際旅行中得以生存。”

梅瑟史密斯一直在關(guān)注貽貝粘合劑中一種關(guān)鍵的成分：多巴氨基酸(L-3,4-dihydroxyphenylalanine)。多巴原來是一種幫助一些附件——例如抗體——附著在表面的有用涂層。他解釋道：“在油漆術(shù)語中，它本質(zhì)上是一種底漆?！泵飞访芩沟膶＠喟屯繉臃椒ò▽⒍喟腿芙庥谒_保溶液與海洋酸性一樣，然后將涂層對象浸泡其中。德克薩斯州奧斯汀市Advanced Hydro公司授權(quán)認(rèn)可梅瑟史密斯的涂層技術(shù)用于廢水處理和海水淡化廠的過濾設(shè)備。Advanced Hydro公司用多巴為它們的過濾器涂層，然后附加氧化聚乙烯分子使過濾器抗污染，提高它們的效率并降低維護成本。

2014年12月在馬薩諸塞州波士頓市召開的材料研究學(xué)會會議上，梅瑟史密斯描述了此項技術(shù)最新的應(yīng)用。他把多巴的同類分子聚多巴胺涂在金納米棒上，這樣他就可以添加一種抗體靶向腫瘤細(xì)胞。抗體攜帶納米棒進入腫瘤。接著納米棒會受到近紅外光的加熱，從而殺死腫瘤。他匯報使用這種方法殺死了培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞。

梅瑟史密斯正在考慮將多巴向可可、綠茶和紅酒中發(fā)現(xiàn)的多酚的粘性化學(xué)物質(zhì)發(fā)展。這樣的化合物與多巴有類似的化學(xué)屬性，提取成本更低。他解釋道：“這些分子，因為它們在組織中被發(fā)現(xiàn)，具有可用于涂層的生物屬性?！本唧w一些，他補充道，它們的抗氧化和抗菌特性會使這樣的涂層用于醫(yī)療器械或食品加工的表面。

壁虎腳上的墊覆蓋著成千上萬叫做“剛毛”的毛發(fā)

水滴地帶

盡管將物體附著在表面是有用的，使物體表面更加光滑同樣富有意義——例如可使它們保持清潔或干燥，或者減少阻力。機械工程師克里帕·瓦拉納西（Kripa Varanasi）研發(fā)了防水的納米材料表面。瓦拉納西在他麻省理工學(xué)院辦公室的旱金蓮植物中獲得靈感。他說：“有一天我一下被眼前的事物愣住了，植物的脈絡(luò)在葉的頂部而非底部。”

在此之前，植物科學(xué)家們認(rèn)為，自然界最防水（也稱為超疏水）的表面屬于荷葉。荷葉表層有蠟，化學(xué)上不溶于水。蠟位于微觀的突起部分，粗糙意味著水和葉之間沒有什么接觸，所以水滴在葉片上仍能保持圓潤，更容易滾落。這樣的表面也是一種自潔，因為水會帶走葉面上的污染物；這使得荷葉得到了研究表面的科學(xué)家的青睞，他們研究的表面需要防濕、抗菌。然而瓦拉納西猜測，旱金蓮在它葉片的頂部是否有葉脈做著和荷葉的蠟質(zhì)突起一樣的工作。

瓦拉納西有理由研究他的辦公室植物。他想看看是否可以增加水在物體表面的反彈速度——具體地說，他想讓水快速反彈，這樣就不會在飛機的機翼上結(jié)冰，或者在金屬表面開始生銹。減少接觸時間也會降低雨中風(fēng)力渦輪機的阻力，使它們的工作效率更高。正常情況下，一滴水擊中一個超疏水的表面，它會快速地變得平緩，然后縮成一個球狀并反彈起來。在使用荷葉效果的表面，瓦拉納西測量了水珠的縮卷時間為12.4微秒。接著他拿了幾片鋁，在上面磨出了薄薄的脊?fàn)睿?00微米高200微米寬，來模仿旱金蓮的脈絡(luò)。滴落在鋁脊上的水珠分成更小的碎片，在7.8微秒時間內(nèi)回彈。這不起眼的幾微秒就意味著結(jié)冰與不結(jié)冰之間的差別。

瓦拉納西猜測植物可能已經(jīng)進化出超疏水的屬性，因為快速反彈的水滴幾乎沒有機會保存細(xì)菌或病毒。他說，蝴蝶需要抵制雨的影響，她們的翅膀上甚至有更加復(fù)雜的靜脈結(jié)構(gòu)，瓦拉納西正在研究那些結(jié)構(gòu)看看可以接著模仿什么效果。

紐約羅切斯特大學(xué)的兩位激光專家使用了一種激光來打磨黃銅、鉑和鈦的碎片，得到一個類似的反彈效應(yīng)。物理學(xué)家郭春雷（Chunlei Guo）2015年初就此研究工作發(fā)表了一篇論文，指出它們能夠讓表面具有超疏水性，不附著任何化學(xué)涂層，這就意味著未來的涂料不會掉色。

事實上，讓這些表面和涂層更牢固以經(jīng)得起使用的磨損，對于那些把想法從實驗室?guī)胫圃鞓I(yè)的科學(xué)家們來說是個挑戰(zhàn)。美國費耶特維爾市阿肯薩斯大學(xué)研究材料和制造流程的教授阿杰伊·馬爾西（Ajay Malshe）表示：“我們必須要找到一種方法讓這種材料更牢靠。生物學(xué)中，總有一個穩(wěn)定的自愈過程，但我們在石油管道或飛機機翼的材料工程中沒有?！?/p>

據(jù)機械工程師巴拉特·布尚（Bharat Bhushan）介紹，防水表面是研究人員面臨的一個挑戰(zhàn)，但防油（超疏油）表面在從能源到消費性電子產(chǎn)品等各個領(lǐng)域會更有價值，但也更難實現(xiàn)。巴拉特·布尚在俄亥俄州大學(xué)的實驗室分析了生物表面的微觀結(jié)構(gòu)。由于石油的表面張力比水低，更容易在表面上蔓延開來，因此應(yīng)用像荷葉那樣防水的效果需要不同的化學(xué)和表面結(jié)構(gòu)。布尚在表面上蓋上一些細(xì)柱，直徑14μm，高30μm，然后在表面上涂上氟化合物（這些化合物的抗粘性是眾所周知的，特氟龍是一個典型的例子）以使表面具有超疏油的屬性。這樣的設(shè)置在表面附近的石油下面困住了氣流，從而使油無法粘住。布尚說，制作手機觸屏的索尼公司咨詢過使用這一技術(shù)來防止屏幕弄臟。用這種方式處理石油管道的內(nèi)部可以使石油的流動更加流暢，減少了推動石油流動的高壓需求，但可能會出現(xiàn)泄漏問題。

布尚也在應(yīng)對生物淤積的問題，因為細(xì)菌和其他生物會在表面形成難以去除的痕跡。美國海軍預(yù)計一年要花費5 600萬美元用于處理生物淤積，從清理船身到清理用于抵消阻力的附加燃料。布尚用不同高度和間距的小柱覆蓋表面。由于存在間距，單個細(xì)菌或者被孤立在柱頂，或者落入柱子之間的縫隙，從而無法彼此連接形成覆膜。布尚介紹：“如果你有一個結(jié)構(gòu)化的表面，細(xì)菌就無法輕易傳播。”

進化已經(jīng)產(chǎn)生了無數(shù)種材料和可能被利用的技術(shù)，因此還不用擔(dān)心未來沒有想法和創(chuàng)意。瓦拉納西說，當(dāng)面對一個工程難題，他總是先問自己一個簡單的問題：“在那種情況下，一只昆蟲或其他什么生物會怎么做呢？”

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥隱]