秋荷白露大如珠1)
--從荷葉上的露珠談超疏水現(xiàn)象

姜 楠 田 硯 楊紹瓊 蘇 健 田海平

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300354)

秋荷白露大如珠1)
--從荷葉上的露珠談超疏水現(xiàn)象

姜 楠2)田 硯 楊紹瓊 蘇 健 田海平

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300354)

以科普文章的形式介紹超疏水現(xiàn)象及其物理機(jī)理和工程應(yīng)用.從中國古代詩歌中描寫荷葉上的露珠的名篇佳句引入，介紹了自然界的超疏水現(xiàn)象及其物理機(jī)理和超疏水材料在工程中的應(yīng)用，超疏水材料是一種具有廣泛應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值的新材料.號(hào)召公眾熱愛自然、觀察自然、認(rèn)識(shí)自然、學(xué)習(xí)自然，與自然和諧相處.

荷葉,露珠,超疏水

1 露珠的詩情畫意

露珠是自然界一種常見的現(xiàn)象.秋天的后半夜，空氣濕度大，溫度低，空氣中的水蒸氣凝結(jié)成液滴落在低矮的植物葉子上，成為晶瑩透亮的露珠，煞是好看，幽靜的畫面給人以美的享受，常常被詩人描寫，借以抒發(fā)細(xì)膩美好的情感.

唐代著名詩人白居易(772-846年)有《東陂秋意寄元八》[1]：

寥落野陂畔，獨(dú)行思有余.

秋荷病葉上，白露大如珠.

忽憶同賞地，曲江東北隅.

秋池少游客，唯我與君俱.

啼蛩隱紅蓼，瘦馬蹋青蕪.

當(dāng)時(shí)與今日，俱是暮秋初.

節(jié)物苦相似，時(shí)景亦無余.

唯有人分散，經(jīng)年不得書.

詩人通過描寫野坡畔的秋荷病葉上的露珠，回憶與摯友元稹一同游覽的情景，詩中以景寓情，以景抒情，情景交融，表達(dá)了詩人與好友分別以后長時(shí)間沒有得到好友書信的思念之情.

白居易還著有廣為流傳的《暮江吟》[2]：

一道殘陽鋪水中，半江瑟瑟半江紅.

可憐九月初三夜，露似真珠月似弓.

這是一首家喻戶曉，膾炙人口的七言絕句，其中詩的后兩句描繪了九月初三夜里一輪新月初升，江邊綠草上掛滿了晶瑩的露珠，圓潤的露珠映照新月的清輝，閃爍著光澤，就像是顆顆晶瑩剔透的珍珠.

秋荷一滴露，清夜墜玄天.

將來玉盤上，不定始知圓.

唐代詩人韋應(yīng)物 (約 737- 約 791年)在這首《詠露珠》[3]的五言絕句中，僅僅用了20個(gè)字，便生動(dòng)描繪了秋夜的一滴露珠落到碧綠的荷葉上面，晶瑩透明，滾來滾去的美景.

霏微曉露成珠顆，宛轉(zhuǎn)田田未有風(fēng).

任器方圓性終在，不妨翻覆落池中.

這是唐代詩僧齊己 (863-937年)寫的《觀荷葉露珠》[4]，寫的是晨曦微露的拂曉時(shí)刻，一顆一顆圓圓的露珠滾來滾去，始終保持圓圓的形狀和純潔透明的品質(zhì)，露珠翻滾落入池塘，動(dòng)中有靜，靜中有動(dòng)，動(dòng)靜結(jié)合，惟妙惟肖.

還有很多吟詠露珠的名詩佳句.如唐代詩人溫庭筠的《贈(zèng)知音》：

星漢漸移庭竹影，露珠猶綴野花迷.

唐代詩人李咸用的《塘上行》：

卻把金釵打綠荷，懊惱露珠穿不得.

宋代詩人黃庭堅(jiān)的《戲呈孔毅父》：

文章功用不經(jīng)世，何異絲窠綴露珠.

楊萬里詞《昭君怨-詠荷上雨》：

卻是池荷跳雨，散了真珠還聚，

聚作水銀窩，瀉清波.

金代蔡松年《鷓鴣天賞荷》：

胭脂雪瘦薰沉水，翡翠盤高走夜光.

清帝乾隆的《荷露烹茶》：

秋荷葉上露珠流，柄柄傾來盎盎收.

這些名詩佳句不僅給了我們美的享受，而且給予我們知識(shí)的啟迪.大家是否會(huì)想到為什么露水落在植物的葉子上就會(huì)形成圓圓的，晶瑩剔透、純潔透明的露珠；而打在衣服上，卻“道狹草木長，夕露沾我衣”呢？從流體力學(xué)的角度看來，這是因?yàn)樵谥参锶~子的表面形成了超疏水現(xiàn)象(圖1).

圖1 荷葉上的露珠形成的超疏水現(xiàn)象

2 超疏水現(xiàn)象的原理

將一滴水滴在均勻平滑的固體表面，待液體靜止后，水--氣交界面的切線與水--固交界面的切線之間的夾角稱為接觸角[5]，常用θ表示.接觸角是固--液表面相互潤濕性的一個(gè)量度，接觸角越小說明水對(duì)固體的浸潤性越好.根據(jù)接觸角的大小，會(huì)產(chǎn)生以下 3種情況 (如圖 2所示)：當(dāng) 0?＜θ＜90?時(shí)，為親水現(xiàn)象，特別是當(dāng)θ=0?時(shí)稱為完全潤濕現(xiàn)象，就是 “夕露沾我衣”的原因.當(dāng)θ＞90?時(shí)，稱為疏水現(xiàn)象；而當(dāng)θ＞150?時(shí)，稱為超疏水現(xiàn)象.能產(chǎn)生超疏水現(xiàn)象的固體材料稱作超疏水材料.植物新鮮的葉子就是一種天然的超疏水材料[6].自然界中有很多動(dòng)物表面由于具有微結(jié)構(gòu)也具有疏水性，例如蝴蝶、蟬、蜻蜓、蚊子的翅膀表面等(圖3)[7].

圖2 液--固不同接觸角的3種情況

圖3 蜻蜓翅膀表面的超疏水現(xiàn)象

通過觀察植物葉表面的微觀結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，這種疏水性是由葉子表面上的微米級(jí)凸起以及納米級(jí)蠟狀絨毛(如圖4所示)共同產(chǎn)生的.經(jīng)過觀察和測量，新鮮荷葉表面的接觸角可高達(dá) 160?，表現(xiàn)出典型的超疏水特性[8].而經(jīng)過焙燒的荷葉則失去了其超疏水性能和自清潔效應(yīng).用顯微鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，被加熱過的荷葉表面微納二級(jí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失[9]，證明荷葉之所以具有超疏水和自清潔性能，正是因?yàn)槠浔砻嫖⒓{米二級(jí)結(jié)構(gòu)，這種微納結(jié)構(gòu)與液滴相互作用，使得液滴表現(xiàn)出較大的表面張力支撐，在凸起頂部與重力平衡，液滴下部空隙中留存著空氣，并未真正滲入微納結(jié)構(gòu)的間隙(如圖5所示)，液滴可以在凸起的頂部來回滾動(dòng)，從而宏觀上呈現(xiàn)出超疏水的“荷葉效應(yīng)”[10].

圖4 荷葉表面的微納米凸起結(jié)構(gòu)

圖5 微納米二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)超疏水性能的影響

3 超疏水材料的應(yīng)用

超疏水材料在生產(chǎn)和日常生活中具有廣泛的應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值.現(xiàn)在已經(jīng)可以利用化學(xué)蝕刻法、溶膠凝膠法、模板法、化學(xué)沉積法等多種方法制備出不少性能優(yōu)異的超疏水材料(圖6).

圖6 人工制備的超疏水材料(圖(a)白色圓圈為圖(b)白線所指位置放大)

3.1 輸水管道減阻防垢

現(xiàn)有的輸水管道具有損耗大、輸運(yùn)阻力大、易銹蝕堵塞等缺點(diǎn)，如果在輸水管道的內(nèi)壁采用超疏水材料，可以起到防銹蝕、防結(jié)垢、節(jié)省損耗、減小輸運(yùn)阻力的作用，提高管道的輸水效率.

3.2 艦船減阻提速

常規(guī)的水上船只，其表面摩擦阻力約占總阻力的50%；對(duì)于水下運(yùn)動(dòng)的物體如潛艇、水雷、魚雷，其表面摩擦阻力占總阻力可達(dá)70%；如果其表面經(jīng)過加工處理成微納二級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面，可以大幅減小其表面摩擦阻力，起到節(jié)能減排的作用.

3.3 墻壁、太陽能電池板、紡織材料防水自清潔

建筑外墻、太陽能電池板、風(fēng)力機(jī)葉片、雷達(dá)、天線、路燈、旗幟等長期放置在戶外的裝置容易被灰塵、昆蟲等黏附，影響外觀和使用，如果這些裝置的表面使用超疏水材料，在雨水的沖刷下可以很容易清除污垢，起到自清潔的作用.

圖7 超疏水表面的太陽能電池板

3.4 超疏水材料在空調(diào)冰箱中的應(yīng)用

冰箱制冷時(shí)，內(nèi)壁上就會(huì)產(chǎn)生冷凝水，使冰箱內(nèi)壁結(jié)冰從而降低制冷效率，增加耗電.而在冬天加熱時(shí)，空調(diào)室外機(jī)換熱器又會(huì)結(jié)霜，使傳熱系數(shù)降低.增強(qiáng)空調(diào)換熱器表面和冰箱內(nèi)壁的疏水特性可以在結(jié)霜初期延緩初始霜晶的出現(xiàn)并影響霜層的結(jié)構(gòu)[11].研究表明，超疏水壁面具有明顯的延緩結(jié)霜作用，形成的霜層疏松，結(jié)構(gòu)脆弱，容易去除，并且表現(xiàn)出良好的重復(fù)性和耐久性[12]；對(duì)不同微納米表面的疏水壁面進(jìn)行結(jié)霜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于納米二級(jí)結(jié)構(gòu)之間的空隙足夠小，冷凝液滴不能夠侵入到微結(jié)構(gòu)間隙里，使全納米結(jié)構(gòu)的表面霜晶出現(xiàn)時(shí)間更晚，覆蓋率更小[13].超疏水表面也可以用于飛機(jī)表面，延緩飛機(jī)在高空結(jié)冰.

3.5 超疏水材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

植入病人體內(nèi)的基材，需要考慮表面黏附的問題.研究發(fā)現(xiàn)，在超疏水壁面上活細(xì)胞無法大量生長，而親水壁面上的活細(xì)胞卻可以自由生長.超疏水壁面表現(xiàn)出的抗細(xì)胞黏附特性有望應(yīng)用于臨床[14].研究證明，用一種部分氟化的聚氨基甲酸乙酯 (具有生物兼容性)制備的超疏水壁面對(duì)血小板幾乎沒有任何黏附作用[15].

3.6 超疏水材料在新型電池中的應(yīng)用

為了改善電池的效率和耐久性，已開始將超疏水材料引入電池系統(tǒng).有人開發(fā)了一種兩極修飾有超疏水涂層硅質(zhì)材料的新型電池，這種超疏水涂層可以有效地將活性電極材料和電解液分隔開，避免副反應(yīng)的發(fā)生.在燃料電池系統(tǒng)中，將裝載有鉑納米顆粒的碳納米管作為陰極催化劑，其超疏水性可以使電極反應(yīng)中產(chǎn)生的水更容易移除，有效提高燃料電池的效率和使用壽命[16].

4 結(jié)束語

自然界經(jīng)過千萬年的進(jìn)化演變，產(chǎn)生了大量奇特的現(xiàn)象，自然界是人類最好的老師.我們只有認(rèn)真地觀察自然，認(rèn)識(shí)自然，向自然界的萬物學(xué)習(xí)，與自然和諧相處，才能認(rèn)識(shí)這些奇特現(xiàn)象所蘊(yùn)含的科學(xué)知識(shí)，并體會(huì)到熱愛自然、觀察自然、認(rèn)識(shí)自然、學(xué)習(xí)自然的樂趣.

1 白居易.東陂秋意寄元八.見：全唐詩 (第 5冊(cè))，429卷.北京:中華書局，1960

2 白居易.暮江吟.見：全唐詩(第13冊(cè))，442卷.北京:中華書局，1960

3 韋應(yīng)物.詠露珠.見：全唐詩 (第 6冊(cè))，193卷.北京:中華書局，1960

4 齊己.觀荷葉露珠.見：全唐詩,847卷.北京:中華書局，1960

5 周光坰.流體力學(xué)(上冊(cè)).北京：高等教育出版社，1993

6 Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces.Planta,1997,202(1):1-8

7 Feng L,Li SH,Li YS,et al.Super-hydrophobic surfaces:from natural to artificial.Advanced Materials,2002,14(24):1857-1860

8 Neinhuis C,Barthlott W.Characterization and distribution of water-repellent,self-cleaning plant surfaces.Annals of Botany,1997,79(6):667-677

9 Cheng YT,Rodak DE,Wong CA,et al.Effects of microand nano-structures on the self-cleaning behaviour of lotus leaves.Nanotechnology,2006,17(5):1359-1362

10 Hu DL,Chan B,Bush JWM.The hydrodynamics of water strider locomotion.Nature,2003,424(6949):663-666

11 Liu ZL,Gou YJ,Wang JT,et al.Frost formation on a superhydrophobic surface under natural convection conditions.International Journal of Heat and Mass Transfer,2008,51:5975-5982

12 徐文驥,宋金龍,孫晶等.鋁基體超疏水表面結(jié)冰結(jié)霜特性研究.制冷學(xué)報(bào),2011,32(4):9-13

13 丁云飛,殷帥,廖云丹等.微納結(jié)構(gòu)超疏水表面結(jié)霜過程及抑霜特性.化工學(xué)報(bào),2012,63(10):3213-3219

14 Wang Y,Sims CE,Marc P,et al.Micro patterning of living cells on a heterogeneously wetted surface.Langmuir,2006,22(19):8257-8262

15 Sun TL,Tan H,Han D,et al.No platelet can adherelargely improved blood compatibility on nanostructured superhydrophobic surfaces.Small,2005,1:959-963

16 Li W,Wang X,Chen Z,et al.Carbon nanotube film by filtration as cathode catalyst support for proton-exchange membrane fuel cell.Langmuir,2005,21(21):9386-9389

O351

A

10.6052/1000-0879-17-038

本文于2017-02-10收到.

1)國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11332006,11572221).

2)姜楠，教授，主要從事實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)和湍流的研究.E-mail:nanj@tju.edu.cn

姜楠,田硯,楊紹瓊等.秋荷白露大如珠--從荷葉上的露珠談超疏水現(xiàn)象.力學(xué)與實(shí)踐,2017,39(5):515-519

Jiang Nan，Tian Yan，Yang Shaoqiong,et al.White dew on autumn lotus as large as a pearl--talk about superhydrophobic phenomenon from dew on lotus.Mechanics in Engineering,2017,39(5):515-519

(責(zé)任編輯:胡 漫)