? ? ? ?從荷葉到豬籠草——從“滾”到“滑”的轉變
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　　獵物為什么無法逃離豬籠草的捕籠？
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　　眾所周知，豬籠草的葉片特化為一個個捕籠。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，就會跌落至籠底，淪為豬籠草的盤中餐。
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　　那么落入捕籠的昆蟲為什么無法沿著捕籠內(nèi)壁攀援而上逃離虎口呢？
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　　有些豬籠草的捕籠內(nèi)壁覆蓋著一層光滑的蠟質(zhì)，使得落入捕籠的昆蟲在內(nèi)壁上站立不穩(wěn)，很難逃出生天。不過也有一些豬籠草捕籠的內(nèi)壁并沒有蠟質(zhì)，它們阻止獵物逃脫，靠的是覆蓋在內(nèi)壁上的薄薄一層雨水。我們都有這樣的體驗：在灑了水的地板上行走，一不留神就會滑倒，這說明液體能夠提供比固體更好的潤滑作用。而其背后的機制，在于液體可以通過流動保持分子層面上的光滑，這是任何固體都望塵莫及的。
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　　但細心的讀者馬上會想到一個問題：豬籠草的捕籠經(jīng)常處于傾斜甚至豎直的狀態(tài)，其內(nèi)壁上即使有水，也會很快流走，然而豬籠草內(nèi)壁即便在降雨結束后一個小時仍然能夠保持光滑效果，這又是什么原因呢？
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　　答案仍然是我們前面提到的微觀結構。
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　　如果一種固體的表面能夠被某種液體浸潤，那么當固體表面從平滑變粗糙時，表面積的顯著增加為液體提供了更多與固體接觸的機會，使得更多的液體能夠更加持久地停留在固體的表面。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，正是因為內(nèi)部充滿大量微小的孔洞。同樣，豬籠草內(nèi)壁的表面也布滿許多微觀結構，這些看不見的“海綿”使得內(nèi)壁表面能夠較長時間地被水覆蓋，保持光滑的效果。這樣的表面，科學家們稱之為“液體浸潤多孔光滑表面”，簡稱為SLIPS 。
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　　SLIPS表面——“升級版”超疏水表面
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　　受到豬籠草的啟發(fā)，研究人員開始嘗試人工建造SLIPS表面，并且很快發(fā)現(xiàn)，這種具有非凡本領的表面可以由超疏水表面經(jīng)過簡單的“升級”而來。布滿微觀結構的超疏水表面雖然滴水不沾，卻和一些含氟的液態(tài)有機物“志趣相投”，可以被后者浸潤。因此，如果把這些液體涂到超疏水表面，它們就可以長久地呆在那里，不會流走。如果我們把水滴到這樣的表面上，由于水既不能浸潤超疏水表面，也無法與這些含氟的液體互溶，因此只能停留在表面上，而表面由于含氟液體層的存在非常光滑，因此只要我們稍稍傾斜，水滴就會滑落而下。顯然，在低溫天氣下，這樣的表面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，當傳統(tǒng)的超疏水表面也堅持不住開始出現(xiàn)結冰時，SLIPS表面的大部分區(qū)域仍然保持初始狀態(tài)，彰顯了這一類表面的威力。



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　將普通的鋁的表面（上）經(jīng)過處理轉化成SLIPS表面（下）后，低溫下固體表面結冰的過程大大延緩。即便最終冰仍然會在SLIPS表面形成，升溫后也較為容易除去。
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　?。▓D片來源：參考文獻）
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　　與超疏水表面相比，SLIPS表面最大的優(yōu)勢在于它具有一定的自我修復能力。超疏水表面的微觀結構一旦被破壞，就無法再生，但SLIPS表面如果某個區(qū)域的液體遭受損失，周圍的液體并不會對此“袖手旁觀”，因為這些液體能夠浸潤固體，所以它們總是會試圖和固體保持接觸，而不是讓固體暴露在空氣中，所以馬上就會填補過來。另外，目前用于防冰的SLIPS表面大多使用沸點較高的液體，它們不會像水那樣在使用過程揮發(fā)殆盡。
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　　用水來抗冰？我國研究人員將天方夜譚變?yōu)楝F(xiàn)實
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　　不過，一些研究仍然表明，SLIPS表面中起潤滑作用的液體會在結冰-除冰的循環(huán)中不斷流失。當這些起到潤濕作用的液體消耗殆盡時，SLIPS表面就退化成超疏水表面，而使用者也不得不面對后者的弊端。
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　　針對這一問題，來自我國的研究人員對SLIPS表面進行了改造，不再使用有機物液體，而是改用水來浸潤固體表面。
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　　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。他們在常規(guī)的固體表面涂上一層具有吸濕性的高分子材料。由于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表面，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(tài)。當這樣的固體表面結冰時，冰層和固體之間實際上夾了一層水膜。由于水膜的潤滑作用，冰層和固體之間的黏附作用相當微弱，我們只需要很小一點力就可以將冰層清除。當然，如果氣溫低于-25 oC，原本起潤滑作用的水膜也結了冰，這樣的表面自然起不到防冰的效果，但通過調(diào)整高分子材料的化學結構，理論上我們可以將水膜的凝固點進一步降低，從而讓表面的防冰能力在更低的溫度下也完好如初。
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　　從防結冰到易除冰，“低界面韌性表面”返璞歸真反而最佳？
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　　剛才提到的這項研究實際上標志著致力于表面防冰研究的科學家們開始調(diào)整思路，不再關注于如何防止固體表面結冰。畢竟，無論是超疏水表面還是SLIPS表面，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和冰層之間的黏附作用。這樣的表面也許在低溫下很快就會結冰，但只要我們輕輕一碰，并不牢固的冰層就會從固體表面滑落。顯然，這樣的固體表面在實際應用中也有著不可估量的價值。
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　　那么如何找到這樣的表面呢？前面提到的水膜潤滑無疑是個很好的例子。而在今年早些時候發(fā)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。他們指出，固體表面涂層的韌性對于固體與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、抗擊沖擊的能力。例如一個玻璃瓶從高處落下會粉身碎骨，而塑料瓶從同樣高度落下則安然無恙，因此我們可以說塑料的韌性要優(yōu)于玻璃。
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　　研究人員發(fā)現(xiàn)，降低固體表面的韌性不僅會降低破除表面冰層所需的力量，還會導致一個有趣的現(xiàn)象：對于一定寬度的常規(guī)固體表面，隨著長度增加，固體與冰層之間的相互作用也自然隨之增加；然而如果將固體表面的韌性控制在一定程度以下，達到所謂“低界面韌性表面”，當固體長度超過一個很小的臨界值后，長度繼續(xù)增加，固體與冰層之間的作用不再隨之增加，而是趨于恒定。
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　　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(fā)電機葉片等較長的物體，這一發(fā)現(xiàn)的意義是不言而喻的：即便是前面提到的超疏水表面或者SLIPS表面，一旦表面最終結冰，除冰所需的力量仍然會是相當可觀的。相反，這種低韌性的表面卻能夠保證除冰所需的力量始終維持在較低程度。而且與前面提到的若干防冰表面不同，這種表面不需要特殊的物理或者化學結構，只需通過降低常規(guī)涂層厚度和向涂層中添加增塑劑等簡單的辦法就可以實現(xiàn)。
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　　在一項實驗中，研究者先是在鋁條表面涂上較為疏水、因此也具有一定防冰能力的聚二甲基硅氧烷，結果發(fā)現(xiàn)當表面結冰后，即便將鋁條彎曲較大的幅度，冰層也不會脫落。但如果對這一聚二甲基硅氧烷涂層進行若干處理以降低其表面韌性，只要稍微彎曲鋁條，冰層就會斷落。在另一項實驗中，研究人員在一塊一米見方的鋁板表面涂上低韌性的聚二甲基硅氧烷涂層，然后將鋁板置于冬季室外任其結冰。觀察表明，隨著結冰的發(fā)生，冰層自身的重力就足以破壞冰層與固體之間的黏附作用，導致冰層脫落。因此，這種固體表面雖然乍一看不像超疏水表面和SLIPS表面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(yōu)于前二者呢。



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圖A：“低界面韌性表面”的防冰效果既優(yōu)于普通的固體表面（左），也超過了傳統(tǒng)的防冰表面（中）；圖B：用低界面韌性表面涂層處理后的鋁板在室外的防冰測試。
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　　（圖片來源：參考文獻）
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　　結語
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　　這一系列新的研究的問世，表明科學家們對于表面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的難題，開發(fā)持續(xù)耐久、且在各種條件下都能較好防止冰層形成的表面仍然是一個不小的挑戰(zhàn)。不過相信隨著材料學的進步，我們在冬季會越來越少地受到結冰的困擾。
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