三伏天赏荷正当时，探究荷叶效应背后的科学奥秘

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又是一年三伏天，烈日炎炎，荷塘中的莲花竞相开放，争奇斗艳，正如诗句所说：“映日荷花别样红。”说起莲，古今中外赞美它的言辞恐怕不止万千，其中最负盛名的大概就是周敦颐的千古名句——“出淤泥而不染，濯清涟而不妖” 。这句话极具文学价值，同时还提及了一种科学现象，这种现象是荷叶具有自清洁效应，因为这一效应最早在荷叶表面被发现，所以被命名为“荷叶效应”。

图1. 在荷叶表面始终保持球状的水珠

造成荷叶效应的主要原因在于，荷叶表面对水十分厌恶，在物理化学领域，这种特性被称作“超疏水性”。正因如此，雨滴打在浮萍上，水滴会被弹开并散落四周，即便水珠极小，未被弹开的，也都是圆滚滚的小球，不会趴下变扁，更无法铺展开来化为水膜；正因如此，荷叶表面既不沾染淤泥，也不容易沾惹灰尘，浮尘总会被雨打风吹走 。

这种神奇的性质，源于荷叶表面的特殊结构。荷叶表面密密麻麻分布着无数蜡质乳突。荷叶表面的每一个上皮细胞都会长出一个乳突。这些乳突仅有几个微米大。它们比我们的头发丝还细。再放大看，每个乳突表面都充满着纳米级的小纤毛，这些多级分形的微纳结构会吸附空气，当水珠滴在荷叶上面时，由于强大的表面张力，水会被这层气膜托起来，从而无法接触荷叶本身[2]同时，形成这些结构的表面还有一层蜡质，从我们生活经验可知，苹果、葡萄表面有层白蒙蒙的生物蜡，清洗水果时常会感觉打滑，这就是蜡质的“功劳”。蜡质本身疏水，这源于其本身的组成，即非极性有机分子与极性的水分子极性不同，所以难以亲和。

图2展示了荷叶表面的情况，a)呈现出随机分布的乳突（扫描电镜照片），b)显示水滴划过荷叶表面时会带走灰尘，c)和d)分别是在低倍和高倍下看到的，有一堆微乳突以及一个微乳突，并且每个微乳突表面还有纳米纤毛。

荷塘里，莲的旁边生活着一群小虫子，它们不太起眼，叫水黾，也有人称它们为水蚊子、水蜘蛛等。“黾”是象形文字，古人用它指代青蛙、蟾蜍等两栖类动物。水黾是六条腿的小虫子，长得不像蛙类，却像蛙一样生活在水中，像蛙一样一跳一跳的，甚至比蛙更厉害。它们能够漂浮在水面，能够在水面上跳跃，甚至能够在水面上生活，即便遇到狂风暴雨也奈何不了它们，与“水上漂”的轻功相比，这简直高出天际了。有这么一种小虫子，它的吃喝拉撒睡乃至繁殖都是在水面进行的，它也是玩超疏水的行家。它们腿上刚毛密集排列，这些刚毛呈微米级，刚毛表面有一道道纳米沟壑，这些沟壑周期排列，凭借这些，它们拥有强大的超疏水腿，能轻易漂浮在水面，即便按压它，也不能使其沉下，除非让它死亡。

图3. 水黾照片，和水黾腿部的扫描电镜图。

玫瑰花瓣表面呈现出超疏水特性，玫瑰花表面厌恶水，却能粘上水珠，存在若即若离之感，有着藕断丝连之意。这与荷叶表面的低粘附不同，荷叶表面水滴极易滑落，而玫瑰花瓣表面是另一种疏的状态，是高粘附的超疏水，就如同情人节看到的粘上露水的玫瑰花，不管是倒扣着，还是直立着，又或是平躺着，其表面的水总会粘在上面。当然了，粘着的大多是一个个小水球，倘若对象是荷叶，这些小球早就四处乱跑，不知去向了。这与玫瑰花瓣表面的微纳结构关联紧密，同样是微米级小乳突，却没有了四散枝叉的纳米级纤毛，而是一个个小褶皱，由表面圆滑的褶皱堆叠而成的小乳突似乎在向水珠轻声表达自己的友善[3]。

图4展示了玫瑰表面的乳突，它明显与荷叶表面不一样，玫瑰表面上面的纳米结构发生了变化，从纤毛变成了褶皱。

有正就会有负，有疏自然就有亲。与疏水、超疏水相对应的，是亲水和超亲水。从名称就能知道，这两种能力表示材料表面对水是亲和的。紫花琉璃草、泥炭藓、天鹅绒竹芋、紫叶芦莉草这几种植物具备超亲水的叶片。水滴落在其表面，会迅速铺展成一层薄薄的、平整的水膜。甚至会被吸进叶片中，如同海绵汲取水分那般。它们叶片表面大多有微米级的孔道，它们叶片表面大多有微米级的沟槽，海绵状的微纳结构造就了它们对水强大的亲和力，它们对水的亲和力强到恨不得将水一分一毫都搓碎揉进自己的骨髓里[4]。

图5展示了几种超亲水植物表面的扫描电镜照片，其中包括紫花琉璃草，泥炭藓，天鹅绒竹竿，紫叶芦莉草 。

类似这样能将水掌控自如的生物数量众多，经过漫长岁月的洗礼，它们依据各自生存的需求，在过去几千万年甚至上亿年的时间里，进化出了这些有趣且神奇的本领，这些本领早已融入它们的血脉，看似平凡，实则伟大。