予獨(dú)愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖，中通外直，不蔓不枝，香遠(yuǎn)益清，亭亭凈植，可遠(yuǎn)觀而不可褻玩焉。

——周敦頤

（圖片來源：https://www.publicdomainpictures.net/en/）

這段出自北宋大文人周敦頤的代表作《愛蓮說》中的描寫，想必大家都耳熟能詳，尤其是其中的名句“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”，更成為了贊美荷花的神來之筆被人們千古傳誦，甚至被廣泛用來歌頌不與世俗同流合污之士的高貴品格。

（圖片來源：http://oa.zol.com.cn/640/6409838.html?tml=read及作者制作）

那你想知道荷花為什么能“出淤泥而不染”么？下面筆者就帶你來一探究竟。

Part.1

荷花的專屬清潔工——荷葉

荷花之所以能出淤泥而不染，荷葉扮演著重要的清潔工角色。

這是因?yàn)?strong>荷葉表面具有超強(qiáng)的疏水能力，雨水打在荷葉上時(shí)，并不能沾在荷葉上攤成一片，而是凝聚成一個(gè)一個(gè)的小水珠，迅速在荷葉上滾落，同時(shí)帶走了荷葉表面上沾染的淤泥灰塵等污垢，使得荷花終其一生都能皎潔無暇。

（圖片來源：維基百科）

那你一定會(huì)問，為什么荷葉具有這種神奇的能力呢？下面筆者就借助掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）帶你走進(jìn)荷葉的微觀世界，看看里面隱藏著什么玄機(jī)（有密集恐懼癥者請(qǐng)認(rèn)真觀看）。

Part.2

荷葉上的乳突結(jié)構(gòu)有超強(qiáng)排水能力

當(dāng)我們利用掃描電子顯微鏡把荷葉放大500倍時(shí)，奇跡出現(xiàn)了，原本青翠光滑的荷葉不復(fù)存在，取而代之的是表面星羅棋布地排列著的一個(gè)一個(gè)的近似球形的疙瘩，學(xué)名乳突。

（圖片來源：作者拍攝）

參考圖片右下角的比例尺，我們可以大致看到每個(gè)乳突的尺寸是10μm（微米）左右。

10微米是個(gè)什么概念呢？這么說吧，我們的頭發(fā)絲的直徑大概是40到50微米之間，所以每個(gè)乳突比我們的頭發(fā)絲還要細(xì)個(gè)三四倍。

而我們?nèi)搜圩钚∧芸吹?0微米的物體，所以即便你擁有一雙慧眼，能把這世界看得清清楚楚明明白白真真切切，也絕看不到荷葉表面分布的這些乳突。

不過此時(shí)我們應(yīng)該慶幸人類的眼睛不是顯微鏡，我們才能在泛舟西湖時(shí)領(lǐng)略“接天蓮葉無窮碧”，而不是烏漆嘛黑大疙瘩。

如果你以為荷葉表面的微觀世界就到此結(jié)束了，那你就圖樣圖森破了。

（圖片來源：作者拍攝）

這看起來像珊瑚一樣的東西，就是上面的一個(gè)乳突放大之后的圖片，而此時(shí)顯微鏡的放大倍數(shù)已經(jīng)達(dá)到了一萬倍?？梢钥闯鋈橥簧蠙M七豎八地分布著棒狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)棒的長度大概是1微米，直徑大概是0.1微米。到目前為止，或許你才可以自豪地說已經(jīng)把一片荷葉看個(gè)精光了。

而荷葉之所以具有超強(qiáng)的疏水能力，主要得益于它表面的這種微觀結(jié)構(gòu)。

如果我們把每個(gè)乳突看成一座山峰，乳突與乳突之間就會(huì)形成山谷。只是這山峰和山谷的尺寸僅有10微米左右大小。而山谷中充滿了空氣，形成了大量的彼此相連的氣墊，和乳突形成的山峰一起托舉著水滴，使其不能在荷葉表面攤開浸潤，而是凝聚成一個(gè)一個(gè)的小水珠。此時(shí)，荷葉表面上如果有淤泥灰塵等污垢，就會(huì)黏在水珠上面，跟著水珠順著荷葉表面一起滑落下去。而在自然界，清理這些污垢的水源一場(chǎng)雨就已經(jīng)足夠，或者是霧氣凝結(jié)成的水滴。

圖片內(nèi)容：荷葉表面的乳突形成的山峰和山谷，以及荷葉上的水珠和水珠上粘黏的污垢（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

荷葉上的水珠帶走荷葉表面的污垢工作模型（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

Part.3

蝴蝶的翅膀與荷葉有異曲同工之妙

實(shí)際上，除了荷葉擁有這種超疏水能力之外，很多生物同樣擁有這種超能力，比如蝴蝶。

（圖片來源：https://www.veer.com/photo/142399348）

有了之前關(guān)于荷葉的了解，接下來再認(rèn)識(shí)蝴蝶就輕松多了。以在我國河北、四川、云南和臺(tái)灣等省份廣泛分布的綠帶翠鳳蝶為例，它因翅膀翠綠鮮艷，光彩亮麗而得名。

（圖片來源：https://www.veer.com/photo/142399348）

而當(dāng)我們利用掃描電子顯微鏡把翅膀放大200倍之后再來看時(shí)，可以看出它的翅膀?qū)嶋H上是由排列規(guī)則的鱗片組成的，鱗片的寬度大概為50微米。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]及作者制作）

進(jìn)一步放大至1000倍時(shí)，可以看出每片鱗片上都分布著彼此平行的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，學(xué)名脊脈。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]及作者制作）

當(dāng)放大到10000倍時(shí)，可以進(jìn)一步看到平行的脊脈之間，不規(guī)則地排布著類似蜂窩狀的凹坑結(jié)構(gòu)，脊脈間的距離大概為1.8微米，蜂窩狀凹坑的尺寸大致為0.9微米。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]及作者制作）

與荷葉的超疏水原理異曲同工，這些凹坑里面分布著大量的空氣，同樣形成了一個(gè)個(gè)緊密排列的氣墊，和脊脈一起托舉著水珠使其不能浸潤蝴蝶翅膀，蝴蝶因此才能在雨中翩翩起舞。正如《還珠格格》片尾曲《雨蝶》中所唱的那樣“我向你飛，雨溫柔地墜”。

正因?yàn)楹某岚虿徽此拍芨惺艿接甑臏厝?。而?dāng)把蝴蝶翅膀表面的鱗片去掉時(shí)，翅膀的超疏水性就不復(fù)存在了。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]及作者制作）

說到這里，你一定想到了另一種超級(jí)不沾水，甚至能“輕功水上漂”的生物。沒錯(cuò)，它就是在我國江河湖泊中廣泛分布的水黽（mǐn），別名水蜘蛛，水蜢子等。

（圖片來源：https://www.veer.com/photo/132327268）

那水黽又是怎么做到能在水面健步如飛，甚至凌空跳起捕捉食物的呢？

謎底就藏在水黽的腿部。當(dāng)把水黽的腿放大來看時(shí)，可見他的腿上均勻排列著長度在20微米左右的剛毛。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[6]及作者制作）

進(jìn)一步把一根剛毛放大來看，可以看到剛毛上又分布著螺旋狀的      納米級(jí)凹坑。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

同樣的道理，空氣被有效地吸附在這些微米級(jí)剛毛和納米級(jí)的螺旋狀溝槽的縫隙內(nèi)，形成一層穩(wěn)定的氣墊，阻礙了水對(duì)水黽腿部的浸潤。

Part.4

從這些生物上找靈感制成超疏水材料

大自然孕育了這些有著超能力的生物，而我們?nèi)祟愅瑯涌梢缘婪ㄗ匀?，利用生物仿生學(xué)，制備出仿生“神器”，來為我們的日常生活服務(wù)。比如購物網(wǎng)站上就有利用荷葉效應(yīng)制備的衣物，可以有效的避免衣物被飲料污水等液體弄臟，即使有粘性的污物附著也可以輕松用水沖洗干凈。

（圖片來源：https://detail.tmall.com/item.htm?id=588051771134）

（圖片來源：https://detail.tmall.com/item.htm?id=588051771134）

我們應(yīng)該相信，隨著科技的發(fā)展，仿生超疏水材料一定會(huì)越來越多的走進(jìn)我們的生活。

這些材料可能應(yīng)用在建筑表面，從此玻璃瓷磚都能一塵不染；可能應(yīng)用在汽車表面，從此我們的車子就不需要因?yàn)檎慈净覊m污垢而經(jīng)常沖洗；也可能會(huì)做成帽子戴在我們的頭上，從此我們的腦袋就不會(huì)再進(jìn)水……

參考資料：

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

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[5]徐琳, 丁建寧, 李伯全, 等. 蝴蝶翅膀表面超微結(jié)構(gòu)與浸潤性機(jī)理分析[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)報(bào)), 2009, 30(4): 347-351.

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[8] Blossey R. Self-cleaning surfaces—virtual realities[J]. Nature materials, 2003, 2(5): 301.

出品：科普中國

制作：雪楊

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心