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我们会经常接触到各种各样的生物，比如荷叶、蚊眼、蝉翼、仙人掌，这些生物都应该耳熟能详吧，但可能很难把它们与尖端的纳米科技直接联系起来。下面我会分享：这些生物经过数百万年的进化都具有哪些特异功能以及独特的微纳结构，它们又能给科研人员提供哪些灵感、助力工程技术难题的解决。我们生活的地球往往又被称为蓝色星球，具有丰富的动植物资源，包括我们人类，都极其依赖水资源。水，又被称之为生命的源泉，如果没有水，想象一下，绿洲会变成荒漠、人类和动植物都难以生存，从这个意义上讲，我们是离不开水的，每天都需要喝水，洗澡生活也需要用水。但另一方面，水，也会给我们日常生活和工业生产带来许多困扰。举个例子，在日常生活中可能都有过这样的经历：下雨天，你的衣服会湿，非常不方便；天气寒冷，淋湿了，老人小孩很容易会感冒。是不是曾经都想过，有没有一种技术，能够使衣服不怕水、不会被浸透。其实，这个就是我要讲的超疏水纳米科技。
先展示一个简单的小实验，小朋友在家长的陪同下在家里面就可以实现：当我们把铁锅或者钢板烧得很烫的时候，水在表面会四处飞溅。这其实就是一种超疏技术、水在表面完全不沾的。
这种超疏技术的实现原理：就是通过高温加热。快速在水与固体接触的界面处会快速产生蒸汽，从而可以托住液滴、阻止水在材料表面浸润、铺展。但问题是：这种技术非常耗能，而且几百度的高温烫死人了，没法用。尽管这种方法容易实现，但没法真正实现应用。 
自然界经过数百万年的进化，有各种神奇的功能，我们人类的发展史，实际上就是不断学习、模仿自然的过程。针对这个工程技术难题，自然界有没有什么好的解决方案呢？荷花，在我们日常生活中很常见，每到夏天，在许多池塘都会成为一道亮丽的风景。古人很早就已经意识到，莲花具有出淤泥而不染的神奇特性，在亚洲，荷叶更是被认为是圣洁的象征。其实，这些都是源于荷叶表面雨水不沾的神奇特性。
通过这个小视频，我们可以更加直观的感受到：水是很难在荷叶表面驻留的，会瞬间滚离。这就是我们人类所希望拥有的超疏水技术。想象一下，荷叶表面的灰尘是不是很容易就被水带走了，即使我们在荷叶表面撒上很多泥土，只要一浇水，表面立刻会干干净净，这就是为什么荷叶之所以被认为圣洁的原因。在高倍电子显微镜下，我们可以发现荷叶表面分布有无数的微米乳突，每个乳突的大小大概6~9um，间距是20um。这是什么概念呢，一米缩小1000倍就是1mm，1mm再缩小1000倍就是1um，而1um再缩小1000倍就是1nm。这种微米乳突是多么的精细。更有意思的是，如果进一步放大，我们还会发现：每个微米乳突以及乳突和乳突缝隙的表面还包覆有更精细的纳米突起。荷叶表面其实是一种精细的微纳复合结构，而不是我们肉眼所看到的光滑平整表面。光滑平整表面通常是固液两相接触，液滴黏附在表面很难去除，而荷叶表面的微纳结构可以实现固-液-气三相接触，液滴会悬浮在微纳结构表面，水珠与固体表面的接触面积也会大大减小。也就是说，固-液界面黏附会大大降低，水滴在表面很容易滚离，并且沿途带走灰尘。受荷叶灵感启发，我们就可以人工研制超疏水界面，水滴可以完全不沾。如果超疏水表面撒上白色粉末来模拟灰尘，滴水就很容易实现表面清洁。即使液滴高速撞击，液滴完全都碎裂了，细小的水珠也不会在表面驻留。受荷叶超疏水自清洁原理的启发，科学家已经研制出完全不沾水的纺织品、遇水能够自清洁的功能涂料。水有多种形态，除了宏观尺度的雨水，我们在冬天或者遇到低温潮湿的环境，还会遇到冷凝现象。什么是冷凝？就是空气中的水分子会在低温材料表面凝结，比如从冰箱里拿出冰镇的雪碧或者可乐的时候，表面会很快形成冷凝水；寒冷的冬天，当我们从室外进入空调房时，房间内的温暖的水汽会很容易在眼镜表面凝露，眼镜表面一旦凝露，就看不清了。我们都知道：荷叶是生长在夏天的，那荷叶表面的超疏水微纳结构能防水汽穿透吗？在低温潮湿的环境下，还是超疏水的吗？ 答案是，不能！如果对荷叶表面降温，我们就很容易发现，荷叶表面会有很多的冷凝水，但此时的冷凝水已经不再是球形的水珠，而是不规则的、扁平的液滴，换言之，荷叶微纳结构已经被水穿透了。
为什么荷叶对雨水是超疏水的，而在低温潮湿环境下会被冷凝液穿透，原因在于：周边的水分子尺寸非常小，远远小于荷叶微米乳突以及纳米突起之间的缝隙，水分子会优先在微纳结构缝隙内部凝结，之后不断地吸收水汽长大，冷凝液会牢牢地黏附，很难去除。 我曾经看过一部法国纪录片，名字叫微观世界，讲了各种昆虫的神奇功能，其中一个镜头给我留下了深刻的印象。蚊子的幼虫是在水下繁衍栖息的，但当它长大后竟然能克服水的粘滞，从水中钻出来，站在水表面，瞬间飞离。
儿时或许都有这样的经历：把蚂蚁或者小昆虫扔进水里，它们会被淹死。所以当看到这一幕的时候，我感到非常震惊！ 蚊子，人们都很熟悉，夏天会咬人，大家很讨厌它，但是蚊子其实浑身都是宝，蚊子的口器实际上就是一种无痛针，如果人类能够仿造，那么以后小朋友打针就不疼了。 我这里关注的是：蚊眼作为一种精密的光学元件，其本身是超疏水的，其表面能否防雾？于是我们做了一个实验，将捕捉的蚊子黏附在双面胶表面，一边喷雾一边在高分辨光学显微镜下观测：我们发现水汽会在蚊子的口器以及触角表面凝结成球状的微滴，但是在蚊眼表面却不会。换言之，蚊眼表面可以防雾。不同于荷叶表面松散的微米乳突纳米突起结构，蚊眼表面覆盖有一层更精细的、能够紧密排列的纳米锥，正是这种独特的密排列纳米锥阵列结构阻止了雾滴的黏附。这种结构在自然生物中普遍存在，比如蝉翼表面也有类似的密排列纳米锥阵列结构，在低温潮湿条件下，不仅可以有效的阻止冷凝液的穿透，更神奇的是，这些球状的冷凝液滴可以通过相互融合实现自弹射去除。通过理论计算分析，我们可以知道，冷凝液滴相互融合释放的过剩表面能要高于界面黏附引起的能量耗散，换言之，有足够的表面能转换成机械能实现融并液滴的自弹射去除。
这个是非常神奇的，超疏水荷叶表面的水滴一般是在重力作用下滑离或者是撞击弹离，而冷凝微滴由于尺寸非常小，重力效应不起作用，其完全依赖于冷凝液滴相互融合释放的微弱过剩表面能来驱动。受此启发，我们提出了“材料表面原位生长密排列纳米针锥就可以实现小尺度冷凝微液滴融合自弹射去除”的策略。左侧这张是光学正视图，可以看到，冷凝液滴通过相互融合自动从表面消失。右侧是光学侧视图，我们可以清晰地看到冷凝液滴在表面自弹射去除的轨迹。通过这个视频，能够更直观地感受到：冷凝液滴在纳米仿生表面能够自弹射去除、很难长时间驻留。这种新型的、冷凝微滴可自弹射去除的纳米仿生技术，正好能够解决空调散热器翅片通道易被冷凝液阻塞的技术难题。空调翅片通道的间隙往往只有一两个毫米，冷凝液很容易阻塞通道，严重影响空气对流以及室内降温，非常耗电。受蝉翼启发，我们已经成功研制具有冷凝微滴自弹射去除功能的纳米铝翅，表面的冷凝液滴只有30-50um，我们研制的纳米铝翅不会出现冷凝液堵塞现象，而且还具有低能耗防霜的功效，与左侧现有商用空调铝翅形成鲜明对比。有意思的是，这种纳米仿生界面还具有防冻雨结冰的功能，这是因为这种界面不仅能够防水汽穿透，而且还具有超疏水低黏附功能。
我们可以清晰地看到，零下二十度的冻雨，一旦落到普通金属表面会瞬间冻结。而撞击到纳米仿生表面则会瞬间弹离、还会带走表面冷凝液。下图显示了过冷水流遇到普通金属以及纳米仿生界面会呈现截然不同的效果，金属表面瞬间铺满固体冰层，而纳米仿生界面冻雨完全不沾。
这种技术未来有望解决飞机机翼仿冻雨结冰的工程技术难题。我们知道，当飞机经过云端遇到过冷雨时，机翼表面会瞬间结冰，这就会极大的影响飞机的安全，严重时甚至会导致机毁人亡。而现有的解决方案是当飞机遇到过冷雨时，机翼需要长时间高功率加热，把水分蒸发掉，这是非常耗能的。因此，金属表面纳米仿生功能化是非常有应用前景的。我们现在在江南地区，环境优美，雨水丰沛，是非常幸福的。但是，在我国西部，有些地方还是很干旱的，年降雨量远远小于蒸发量。即使如此，空气中还是有不少水分的，那有没有什么办法或者技术，可以把空气中的水收集起来用于饮用或者灌溉。
在干旱的沙漠中，大部分植被都很难生存，但仙人掌却可以生存。这是因为空气中的水分可以在仙人掌刺的表面凝结并定向输运至其根部。受此灵感启发，就可以研制新型仿仙人掌刺的集水装置用于植被灌溉。在非洲纳米布沙漠，有一种神奇的小昆虫，它依靠背部特殊形貌及微纳结构可以把海边吹拂过来的薄雾收集成液态水，只要屁股朝天，凝结水就会源源不断流进它的口器，满足其生存需要。受此启发，就可以研制新型集水装置，可以满足一些特殊地区的饮水需求。在清晨散步时，看到过蜘蛛丝凝结水的现象，这也是很有意思的。受蜘蛛丝集水原理的启发，未来有望研制更先进的雾水收集装置。我们居住的蓝色星球拥有不计其数的动植物资源，这是一笔巨大的宝藏。今天所分享的只是冰山一角，我们相信，纳米仿生科技在不久的将来能够让我们的生活更加美好。本文经授权转载自《SELF格致论道讲坛》微信公众号 |
