CFD：秋荷白露大如珠 ——從荷葉上的露珠談超疏水現(xiàn)象【轉(zhuǎn)發(fā)】

露珠是自然界一種常見的現(xiàn)象。秋天的后半夜,空氣濕度大,溫度低,空氣中的水蒸氣凝結(jié)成液滴落在低矮的植物葉子上,成為晶瑩透亮的露珠,煞是好看,幽靜的畫面給人以美的享受,常常被詩人描寫,借以抒發(fā)細膩美好的情感。

詩人通過描寫野坡畔的秋荷病葉上的露珠,回憶與摯友元稹一同游覽的情景,詩中以景寓情,以景抒情,情景交融,表達了詩人與好友分別以后長時間沒有得到好友的書信的思念之情。

這是一首家喻戶曉,膾炙人口的七言絕句,其中詩的后兩句描繪了九月初三夜里一輪新月初升,江邊綠草上掛滿了晶瑩的露珠,圓潤的露珠映照新月的清輝,閃爍著光澤,就像是顆顆珍珠晶瑩剔透。

這首《詠露珠》的五言絕句中,僅僅用了20個字,便生動描繪了秋夜的一滴露珠落到碧綠的荷葉上面,晶瑩透明,滾來滾去的美景。

這首詩寫的是晨曦微露的拂曉時刻,一顆一顆圓圓的露珠滾來滾去,始終保持圓圓的形狀和純潔透明的品質(zhì),露珠翻滾落入池塘,動中有靜,靜中有動,動靜結(jié)合,惟妙惟肖。還有很多吟詠露珠的名詩佳句,如:

唐代詩人李咸用的《塘上行》:

卻把金釵打綠荷,懊惱露珠穿不得。

宋代詩人黃庭堅的《戲呈孔毅父》:

文章功用不經(jīng)世,何異絲窠綴露珠。

楊萬里詞《昭君怨—詠荷上雨》:

卻是池荷跳雨,散了真珠還聚,聚作水銀窩,瀉清波。

金代蔡松年《鷓鴣天?賞荷》:

胭脂雪瘦薰沉水,翡翠盤高走夜光。

清帝乾隆的《荷露烹茶》:

秋荷葉上露珠流,柄柄傾來盎盎收。

這些名詩佳句不僅給了我們美的享受,而且給予我們知識的啟迪。大家是否會想到“為什么露水落在植物的葉子上就會形成圓圓的,晶瑩剔透、純潔透明的露珠;而打在衣服上,卻“道狹草木長,夕露沾我衣”呢?從流體力學(xué)的角度看來,這是因為在植物葉子的表面形成了超疏水現(xiàn)象(圖1)。

將一滴水滴在均勻平滑的固體表面,待液體靜止后,水-氣交界面的切線與水-固交界面的切線之間的夾角稱為接觸角,常用θ 表示。接觸角是固-液表面相互潤濕性的一個量度,接觸角越小說明水對固體的浸潤性越好。根據(jù)接觸角的大小,會產(chǎn)生以下三種情況(如圖2所示):

• 當(dāng)0°<θ<90°時,為親水現(xiàn)象,特別是當(dāng)θ=0°時稱為完全潤濕現(xiàn)象,就是“夕露沾我衣”的原因。

  
  

• 當(dāng)θ>90°時,稱為疏水現(xiàn)象;

  
  

• 當(dāng)θ>150°時,稱為超疏水現(xiàn)象。

能產(chǎn)生超疏水現(xiàn)象的固體材料稱作超疏水材料。植物新鮮的葉子就是一種天然的超疏水材料。自然界中有很多動物表面由于具有微結(jié)構(gòu)也具有疏水性,例如蝴蝶、蟬、蜻蜓、蚊子的翅膀表面等(圖3)。

超疏水材料在生產(chǎn)和日常生活中具有廣泛的應(yīng)用前景和應(yīng)用價值。現(xiàn)在已經(jīng)可以利用化學(xué)蝕刻法、溶膠凝膠法、模板法、化學(xué)沉積法等多種方法制備出不少性能優(yōu)異的超疏水材料(圖6)。

現(xiàn)有的輸水管道具有損耗大、輸運阻力大、易銹蝕堵塞等缺點,如果在輸水管道的內(nèi)壁采用超疏水材料,可以起到防銹蝕、防結(jié)垢、節(jié)省損耗、減小輸運阻力的作用,提高管道的輸水效率。

常規(guī)的水上船只,其表面摩擦阻力約占總阻力的50%;對于水下運動的物體如潛艇、水雷、魚雷,其表面摩擦阻力占總阻力可達70%。如果其表面經(jīng)過加工處理成微納二級結(jié)構(gòu)的超疏水表面,可以大幅減小其表面摩擦阻力,起到節(jié)能減排的作用。

建筑外墻、太陽能電池板、風(fēng)力機葉片、雷達、天線、路燈、旗幟等長期放置在戶外的裝置容易被灰塵、昆蟲等黏附,影響外觀和使用,如果這些裝置的表面使用超疏水材料,在雨水的沖刷下可以很容易清除污垢,起到自清潔的作用。

冰箱制冷時,內(nèi)壁上就會產(chǎn)生冷凝水,使冰箱內(nèi)壁結(jié)冰從而降低制冷效率,增加耗電。而在冬天加熱時,空調(diào)室外機換熱器又會結(jié)霜,使傳熱系數(shù)降低。增強空調(diào)換熱器表面和冰箱內(nèi)壁的疏水特性可以在結(jié)霜初期延緩初始霜晶的出現(xiàn)并影響霜層的結(jié)構(gòu)。研究表明,超疏水壁面具有明顯的延緩結(jié)冰霜作用,形成的霜層疏松,結(jié)構(gòu)脆弱,容易去除,并且表現(xiàn)出良好的重復(fù)性和耐久性。對不同微納米表面的疏水壁面進行結(jié)霜實驗發(fā)現(xiàn),由于納米微二級結(jié)構(gòu)之間的空隙足夠小,冷凝液滴不能夠侵入到微結(jié)構(gòu)間隙里,使全納米結(jié)構(gòu)的表面霜晶出現(xiàn)時間更晚,覆蓋率更小。超疏水表面也可以用于飛機表面,延緩飛機在高空結(jié)冰。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,植入病人體內(nèi)的基材,需要考慮表面黏附的問題。研究發(fā)現(xiàn),在超疏水壁面活細胞無法在上面大量生長,而親水壁面上的活細胞卻可以自由生長。超疏水壁面表現(xiàn)出的抗細胞黏附特性有望應(yīng)用于臨床。研究證明,用一種部分氟化的聚氨基甲酸乙酯(具有生物兼容性)制備的超疏水壁面對血小板幾乎沒有任何黏附作用。

為了改善電池的效率和耐久性,已開始將超疏水材料引入電池系統(tǒng)。有人開發(fā)了一種兩極修飾有超疏水涂層硅質(zhì)材料的新型電池,這種超疏水涂層可以有效地將活性電極材料和電解液分隔開,避免副反應(yīng)的發(fā)生。在燃料電池系統(tǒng)中,將裝載有鉑納米顆粒的碳納米管作為陰極催化劑,其超疏水性可以使電極反應(yīng)中產(chǎn)生的水更容易移除,有效提高燃料電池的效率和使用壽命。

自然界經(jīng)過千萬年的進化演變,產(chǎn)生了大量奇特的現(xiàn)象,自然界是人類最好的老師。我們只有認真地觀察自然,認識自然,向自然界的萬物學(xué)習(xí),與自然和諧相處,才能認識這些奇特現(xiàn)象所蘊含的科學(xué)知識,并體會到熱愛自然、觀察自然、認識自然、學(xué)習(xí)自然的樂趣。