從(cong) 荷葉到豬籠草——從(cong) “滾”到“滑”的轉變
 

　　獵物為(wei) 什麽(me) 無法逃離豬籠草的捕籠？
 

　　眾(zhong) 所周知，豬籠草的葉片特化為(wei) 一個(ge) 個(ge) 捕籠。當昆蟲或者其它小動物被捕籠頂部的蜜腺吸引而靠近捕籠時，就會(hui) 跌落至籠底，淪為(wei) 豬籠草的盤中餐。
 

　　那麽(me) 落入捕籠的昆蟲為(wei) 什麽(me) 無法沿著捕籠內(nei) 壁攀援而上逃離虎口呢？
 

　　有些豬籠草的捕籠內(nei) 壁覆蓋著一層光滑的蠟質，使得落入捕籠的昆蟲在內(nei) 壁上站立不穩，很難逃出生天。不過也有一些豬籠草捕籠的內(nei) 壁並沒有蠟質，它們(men) 阻止獵物逃脫，靠的是覆蓋在內(nei) 壁上的薄薄一層雨水。我們(men) 都有這樣的體(ti) 驗：在灑了水的地板上行走，一不留神就會(hui) 滑倒，這說明液體(ti) 能夠提供比固體(ti) 更好的潤滑作用。而其背後的機製，在於(yu) 液體(ti) 可以通過流動保持分子層麵上的光滑，這是任何固體(ti) 都望塵莫及的。
 

　　但細心的讀者馬上會(hui) 想到一個(ge) 問題：豬籠草的捕籠經常處於(yu) 傾(qing) 斜甚至豎直的狀態，其內(nei) 壁上即使有水，也會(hui) 很快流走，然而豬籠草內(nei) 壁即便在降雨結束後一個(ge) 小時仍然能夠保持光滑效果，這又是什麽(me) 原因呢？
 

　　答案仍然是我們(men) 前麵提到的微觀結構。
 

　　如果一種固體(ti) 的表麵能夠被某種液體(ti) 浸潤，那麽(me) 當固體(ti) 表麵從(cong) 平滑變粗糙時，表麵積的顯著增加為(wei) 液體(ti) 提供了更多與(yu) 固體(ti) 接觸的機會(hui) ，使得更多的液體(ti) 能夠更加持久地停留在固體(ti) 的表麵。這其中的典型例子就是廚房中的海綿，海綿之所以能夠吸收和保持更多的水分，正是因為(wei) 內(nei) 部充滿大量微小的孔洞。同樣，豬籠草內(nei) 壁的表麵也布滿許多微觀結構，這些看不見的“海綿”使得內(nei) 壁表麵能夠較長時間地被水覆蓋，保持光滑的效果。這樣的表麵，科學家們(men) 稱之為(wei) “液體(ti) 浸潤多孔光滑表麵”，簡稱為(wei) SLIPS 。
 

　　SLIPS表麵——“升級版”超疏水表麵
 

　　受到豬籠草的啟發，研究人員開始嚐試人工建造SLIPS表麵，並且很快發現，這種具有非凡本領的表麵可以由超疏水表麵經過簡單的“升級”而來。布滿微觀結構的超疏水表麵雖然滴水不沾，卻和一些含氟的液態有機物“誌趣相投”，可以被後者浸潤。因此，如果把這些液體(ti) 塗到超疏水表麵，它們(men) 就可以長久地呆在那裏，不會(hui) 流走。如果我們(men) 把水滴到這樣的表麵上，由於(yu) 水既不能浸潤超疏水表麵，也無法與(yu) 這些含氟的液體(ti) 互溶，因此隻能停留在表麵上，而表麵由於(yu) 含氟液體(ti) 層的存在非常光滑，因此隻要我們(men) 稍稍傾(qing) 斜，水滴就會(hui) 滑落而下。顯然，在低溫天氣下，這樣的表麵應該有效阻止冰層的形成，而實驗也證實了這一點。例如在2012年的一項研究中，在低溫下，隨著時間的推移，當傳(chuan) 統的超疏水表麵也堅持不住開始出現結冰時，SLIPS表麵的大部分區域仍然保持初始狀態，彰顯了這一類表麵的威力。



 

　將普通的鋁的表麵（上）經過處理轉化成SLIPS表麵（下）後，低溫下固體(ti) 表麵結冰的過程大大延緩。即便最終冰仍然會(hui) 在SLIPS表麵形成，升溫後也較為(wei) 容易除去。
 

　　（圖片來源：參考文獻）
 

　　與(yu) 超疏水表麵相比，SLIPS表麵最大的優(you) 勢在於(yu) 它具有一定的自我修複能力。超疏水表麵的微觀結構一旦被破壞，就無法再生，但SLIPS表麵如果某個(ge) 區域的液體(ti) 遭受損失，周圍的液體(ti) 並不會(hui) 對此“袖手旁觀”，因為(wei) 這些液體(ti) 能夠浸潤固體(ti) ，所以它們(men) 總是會(hui) 試圖和固體(ti) 保持接觸，而不是讓固體(ti) 暴露在空氣中，所以馬上就會(hui) 填補過來。另外，目前用於(yu) 防冰的SLIPS表麵大多使用沸點較高的液體(ti) ，它們(men) 不會(hui) 像水那樣在使用過程揮發殆盡。
 

　　用水來抗冰？我國研究人員將天方夜譚變為(wei) 現實
 

　　不過，一些研究仍然表明，SLIPS表麵中起潤滑作用的液體(ti) 會(hui) 在結冰-除冰的循環中不斷流失。當這些起到潤濕作用的液體(ti) 消耗殆盡時，SLIPS表麵就退化成超疏水表麵，而使用者也不得不麵對後者的弊端。
 

　　針對這一問題，來自我國的研究人員對SLIPS表麵進行了改造，不再使用有機物液體(ti) ，而是改用水來浸潤固體(ti) 表麵。
 

　　用水來對抗結冰，這聽起來像是天方夜譚，但實際上正是研究人員的高明之處。他們(men) 在常規的固體(ti) 表麵塗上一層具有吸濕性的高分子材料。由於(yu) 這一層高分子材料的存在，空氣中的水汽很容易凝結到固體(ti) 表麵，形成一層薄薄的水膜。就像鹽水比純水需要更低的溫度才能結冰一樣，溶解了高分子材料的水膜，其凝固點也顯著降低，可以在-25 oC的低溫下仍然保持液態。當這樣的固體(ti) 表麵結冰時，冰層和固體(ti) 之間實際上夾了一層水膜。由於(yu) 水膜的潤滑作用，冰層和固體(ti) 之間的黏附作用相當微弱，我們(men) 隻需要很小一點力就可以將冰層清除。當然，如果氣溫低於(yu) -25 oC，原本起潤滑作用的水膜也結了冰，這樣的表麵自然起不到防冰的效果，但通過調整高分子材料的化學結構，理論上我們(men) 可以將水膜的凝固點進一步降低，從(cong) 而讓表麵的防冰能力在更低的溫度下也完好如初。
 

　　從(cong) 防結冰到易除冰，“低界麵韌性表麵”返璞歸真反而最佳？
 

　　剛才提到的這項研究實際上標誌著致力於(yu) 表麵防冰研究的科學家們(men) 開始調整思路，不再關(guan) 注於(yu) 如何防止固體(ti) 表麵結冰。畢竟，無論是超疏水表麵還是SLIPS表麵，要想做到在任何條件下都絕對不能結冰是很困難。因此，研究人員開始思考如何降低固體(ti) 和冰層之間的黏附作用。這樣的表麵也許在低溫下很快就會(hui) 結冰，但隻要我們(men) 輕輕一碰，並不牢固的冰層就會(hui) 從(cong) 固體(ti) 表麵滑落。顯然，這樣的固體(ti) 表麵在實際應用中也有著不可估量的價(jia) 值。
 

　　那麽(me) 如何找到這樣的表麵呢？前麵提到的水膜潤滑無疑是個(ge) 很好的例子。而在今年早些時候發表在《科學》上的一項研究中，來自美國密歇根大學的研究人員另辟蹊徑，提出了新的思路。他們(men) 指出，固體(ti) 表麵塗層的韌性對於(yu) 固體(ti) 與(yu) 冰層之間的黏附力有著顯著影響。所謂韌性，指的是材料吸收能量、抗擊衝(chong) 擊的能力。例如一個(ge) 玻璃瓶從(cong) 高處落下會(hui) 粉身碎骨，而塑料瓶從(cong) 同樣高度落下則安然無恙，因此我們(men) 可以說塑料的韌性要優(you) 於(yu) 玻璃。
 

　　研究人員發現，降低固體(ti) 表麵的韌性不僅(jin) 會(hui) 降低破除表麵冰層所需的力量，還會(hui) 導致一個(ge) 有趣的現象：對於(yu) 一定寬度的常規固體(ti) 表麵，隨著長度增加，固體(ti) 與(yu) 冰層之間的相互作用也自然隨之增加；然而如果將固體(ti) 表麵的韌性控製在一定程度以下，達到所謂“低界麵韌性表麵”，當固體(ti) 長度超過一個(ge) 很小的臨(lin) 界值後，長度繼續增加，固體(ti) 與(yu) 冰層之間的作用不再隨之增加，而是趨於(yu) 恒定。
 

　　考慮到實際應用中迫切需要防冰除冰的多是機翼、輸電線路、風力發電機葉片等較長的物體(ti) ，這一發現的意義(yi) 是不言而喻的：即便是前麵提到的超疏水表麵或者SLIPS表麵，一旦表麵最終結冰，除冰所需的力量仍然會(hui) 是相當可觀的。相反，這種低韌性的表麵卻能夠保證除冰所需的力量始終維持在較低程度。而且與(yu) 前麵提到的若幹防冰表麵不同，這種表麵不需要特殊的物理或者化學結構，隻需通過降低常規塗層厚度和向塗層中添加增塑劑等簡單的辦法就可以實現。
 

　　在一項實驗中，研究者先是在鋁條表麵塗上較為(wei) 疏水、因此也具有一定防冰能力的聚二甲基矽氧烷，結果發現當表麵結冰後，即便將鋁條彎曲較大的幅度，冰層也不會(hui) 脫落。但如果對這一聚二甲基矽氧烷塗層進行若幹處理以降低其表麵韌性，隻要稍微彎曲鋁條，冰層就會(hui) 斷落。在另一項實驗中，研究人員在一塊一米見方的鋁板表麵塗上低韌性的聚二甲基矽氧烷塗層，然後將鋁板置於(yu) 冬季室外任其結冰。觀察表明，隨著結冰的發生，冰層自身的重力就足以破壞冰層與(yu) 固體(ti) 之間的黏附作用，導致冰層脫落。因此，這種固體(ti) 表麵雖然乍一看不像超疏水表麵和SLIPS表麵那樣能夠阻止冰層的形成，在實際操作中，它的防冰效果可能反而要大大優(you) 於(yu) 前二者呢。



 

圖A：“低界麵韌性表麵”的防冰效果既優(you) 於(yu) 普通的固體(ti) 表麵（左），也超過了傳(chuan) 統的防冰表麵（中）；圖B：用低界麵韌性表麵塗層處理後的鋁板在室外的防冰測試。
 

　　（圖片來源：參考文獻）
 

　　結語
 

　　這一係列新的研究的問世，表明科學家們(men) 對於(yu) 表麵防冰除冰的認識不斷深入。當然，這一領域還存在的不少有待解決(jue) 的難題，開發持續耐久、且在各種條件下都能較好防止冰層形成的表麵仍然是一個(ge) 不小的挑戰。不過相信隨著材料學的進步，我們(men) 在冬季會(hui) 越來越少地受到結冰的困擾。