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“表面”文章大有可为

2015-11-20 15:39:01

鸭子有一身不沾水的羽毛,这是因为它们的羽毛上有一层油;荷花能“出污泥而不染”,荷叶可将水滴抖落得干干净净,这是因为其外表覆盖着一种像蜡一样的物质,科学家们称这种表面为“拒水表面”。

荷叶的拒水表面上布满“小包”,它们紧紧地挨在一起,形成了一个针对于叶面的“保护层”。你可以将那些“小包”想象成无数撑开的“雨伞”,“雨伞”的下面形成了一层极薄的“气垫”。当雨滴落下时,“气垫”中的空气并没有排出去。由于“小包”间的距离非常小,空气让雨滴无法穿过缝隙进入到真正的叶面上,因此雨水便只能在“小包”上面滚来滚去了。滚落的雨滴带走了叶面上的灰尘,还冲走了各种细菌。大自然是创造的大师,它的智慧真是令人无限神往,它的作品更是令人无比羡慕。

 

一种表面,一个梦想

科学家试图使用人工生产的材料模仿荷叶的表面,他们发明了一种“超级排斥表面”,并用一个组合的拉丁词为其命名,即由“一切”和“憎恶”两个词组成,原本的意思是“憎恶一切”。在材料科学家看来,“憎恶一切”的意思就是排斥所有的液体,包括水和油,还有血、咖啡和酒精等等。拥有这种“排斥一切”的表面是人们的梦想。

材料学家们已经研制出了几种不同版本的“超级排斥表面”。例如,他们尝试用非常细的不锈钢丝制成密集的丝网,它很像家里用的纱窗,但编织要细密得多,一片成人拇指指甲大小的样品上分布着超过1200个细小的网格。科学家们在丝网上喷一层极薄的化学纤维涂层,从而在网格中形成了一个个小气囊。任何液体接触到这些气囊时,都只能在气囊上流动,而不能触碰到真正的固体表面,这样一来,它就和荷叶的表面很相像了。

假若把这种表面附在面料上缝制衣服,那么穿上这种衣服就不仅仅能够保持干净,它还是绝妙的防护服。化学家和医生可以用它防护酸类液体、血液和其他危险液体的伤害。

 

表面的多种行为

科学家认为,假若能让材料表面有选择地排斥,那么这些材料可以发挥的作用将更大。比如,他们就研制了一种专门对付油污染的表面,有了这种表面,清理湖泊、江河和海洋中的油污就容易得多了。要构建这种表面,科学家们同样需要一个极细的金属丝网,然后在丝网上涂一层化学物质,不同的是,这种物质能排斥油,但对水却是吸收的。假若你把油和水泼向这种表面,那么水会穿过表面,而油则被挡在外面。在测试中,人们使用这种表面制成的织物清除水中的油污,结果水中99%的油污都被清除掉了。

科学家还发现,让表面展示一种“混合”的行为还能满足人们的更多需求。一个突出的实例是镜子和其他玻璃物品的表面,这些表面很容易被雾化而变得模糊不清,这是因为当潮湿的空气遇到了冰冷的玻璃,例如照相机的镜头、镜子等,空气中的水分会很快被冰冷的表面所凝结,这些凝结的水滴散射光线从而使玻璃变得不透明了。

科学家们一直想设计一种表面以吸收掉玻璃上的水滴,他们研制了一种和“超级排斥表面”相对立的材料——“超级吸收表面”,这种表面能将水滴平铺到玻璃上,使水滴变成一层“水面”,这样一来,由于玻璃上的水在任何地方都一样厚,光线的散射便不会发生了。然而,即使这样,也依然存在问题。假若气温处在0℃以下,水层便会结冰,冰上还是会结霜。事实上,这是一个棘手的问题,所以“超级吸收表面”并没有从根本上解决问题。

为了彻底解决玻璃起雾的问题,美国麻省理工学院的材料科学家迈克尔·鲁布纳和他的同事们想到了一个更妙的办法,那就是做一个组合的表面,它吸收水蒸气,却排斥水滴。空气中的湿气可以经过组合表面的外层,但一旦穿过外层,它们便被内层所捕捉,黏附在了内层上,而内层也只是将水分子暂时“固定”住,它的奥妙在于气体水分子在内层无法聚在一起,它们因此就不能混合和结冰。与此同时,外层虽不排斥水蒸气,却能排斥液态水,因而雨滴之类若落在了这个涂层上便只能滚落下来。

在测试中,鲁布纳和他的研究团队将一些小块的玻璃放在零下20℃的环境中冷冻1小时,然后再将玻璃放到一个温暖而潮湿的环境中,结果是,没有组合表面的玻璃很快便“起毛”了,但有组合表面的玻璃依然如故,表面清洁和透明。

 

给巨轮穿上“空气外套”

解决玻璃“起毛”的问题是很多人的梦想。摄影镜头、望远镜的镜面常因被这种雾气笼罩而让人不胜其烦。不过在目前,这种表面也有缺点,那就是它太脆弱,容易损坏,所以暂时还无法在汽车的挡风玻璃上发挥作用。也许下一代技术能打造出更结实的组合表面,到那时,这种表面的用处就更大了。

“超级排斥表面”的出现使一些科学家有了越来越多的想法,于是有人想到了更大的家伙——船。在浩瀚的海洋上,巨轮的航行非常耗费能源,它们在水中破浪前进必须克服巨大的阻力。当巨大的船体划过水流时,水和船体的摩擦对巨轮形成了强大的拖曳作用,假若有办法减少这种作用,船便会行驶得更快,能量也会消耗得更少。克服拖曳的关键在于减少摩擦,其中的一种方法是在船体的水线以下制造一个空气层,这就好比给巨轮穿上一件“空气外套”,在这种情况下,船实际上行进在空气中,而不是在水中。

美国橡树岭国家实验室的夏洛蒂·巴尔比耶研究小组决定设计一种能捕获空气的表面,然后给这种表面涂上一种拒水的化学涂层。为了便于测试,这些科学家先在一些铝制的圆盘上做文章,他们在圆盘上刻上细槽,这样的细槽在大型的船体上代表流水的通道,流水流过通道能有效地减少拖曳的力量。接下来,科学家们使用酸性物质在通道内部和通道之间腐蚀出一些更小的结构,它们是一些气孔,气孔之外又套上一层有拒水作用的高分子聚合物,事实上,这种表面和前述的其他科学家们研制的拒水表面是类似的。

为了测试这种表面的效果,科学家们将圆盘放到水下,使用一种类似电唱机的装置让圆盘高速旋转。测试的数据显示,沟槽的深度和气孔的大小对减少拖曳力是有影响的,这种影响还会随着速度的变化而变化。巴尔比耶认为,假若使用这种表面技术并且处理得当,一艘长300米的油轮便可以在航行中减少44%的拖曳力。

可以预测,表面科技的应用可以是非常广泛的。科学家们正在设法将表面科技推广到几乎所有的领域。例如,人们设想使用一种表面的涂层以除去输电线上冻结的冰层,在暴风雪的天气里,这种冰层会给人们带来很大的麻烦。同样地,类似的涂层还能减少船体上的藻类,使船舶行进得更省力。至于其他日常的方面,例如不沾污物的衣服,不起雾的镜子、眼镜、车灯等等更是不胜枚举。正因为如此,“超级排斥表面”才对科学家们具有“超级魔力”。

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