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(jiàn)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(huà)面給人以美的享受,常常被詩(shī)人描寫(xiě),借以抒發(fā)細(xì)膩美好的情感。

詩(shī)人通過(guò)描寫(xiě)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(shī)中以景寓情,以景抒情,情景交融,表達(dá)了詩(shī)人與好友分別以后長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有得到好友的書(shū)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(shī)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(rùn)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(gè)字,便生動(dòng)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(lái)滾去的美景。

這首詩(shī)寫(xiě)的是晨曦微露的拂曉時(shí)刻,一顆一顆圓圓的露珠滾來(lái)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(dòng)中有靜,靜中有動(dòng),動(dòng)靜結(jié)合,惟妙惟肖。還有很多吟詠露珠的名詩(shī)佳句,如:

唐代詩(shī)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(shī)人黃庭堅(jiān)的《戲呈孔毅父》:

文章功用不經(jīng)世,何異絲窠綴露珠。

楊萬(wàn)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(pán)高走夜光。

清帝乾隆的《荷露烹茶》:

秋荷葉上露珠流,柄柄傾來(lái)盎盎收。

這些名詩(shī)佳句不僅給了我們美的享受,而且給予我們知識(shí)的啟迪。大家是否會(huì)想到“為什么露水落在植物的葉子上就會(huì)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(zhǎng),夕露沾我衣”呢?從流體力學(xué)的角度看來(lái),這是因?yàn)樵谥参锶~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(rùn)濕性的一個(gè)量度,接觸角越小說(shuō)明水對(duì)固體的浸潤(rùn)性越好。根據(jù)接觸角的大小,會(huì)產(chǎn)生以下三種情況(如圖2所示):

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

  
  

• 當(dāng)θ>90°時(shí),稱為疏水現(xiàn)象;

  
  

• 當(dāng)θ>150°時(shí),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(dòng)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(jià)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(yùn)阻力大、易銹蝕堵塞等缺點(diǎn),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(yùn)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(duì)于水下運(yùn)動(dòng)的物體如潛艇、水雷、魚(yú)雷,其表面摩擦阻力占總阻力可達(dá)70%。如果其表面經(jīng)過(guò)加工處理成微納二級(jí)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(yáng)能電池板、風(fēng)力機(jī)葉片、雷達(dá)、天線、路燈、旗幟等長(zhǎng)期放置在戶外的裝置容易被灰塵、昆蟲(chóng)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(shí),內(nèi)壁上就會(huì)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(shí),空調(diào)室外機(jī)換熱器又會(huì)結(jié)霜,使傳熱系數(shù)降低。增強(qiáng)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(duì)不同微納米表面的疏水壁面進(jìn)行結(jié)霜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于納米微二級(jí)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(shí)間更晚,覆蓋率更小。超疏水表面也可以用于飛機(jī)表面,延緩飛機(jī)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(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn),在超疏水壁面活細(xì)胞無(wú)法在上面大量生長(zhǎng),而親水壁面上的活細(xì)胞卻可以自由生長(zhǎng)。超疏水壁面表現(xiàn)出的抗細(xì)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(duì)血小板幾乎沒(méi)有任何黏附作用。

為了改善電池的效率和耐久性,已開(kāi)始將超疏水材料引入電池系統(tǒng)。有人開(kāi)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(kāi),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(guò)千萬(wàn)年的進(jìn)化演變,產(chǎn)生了大量奇特的現(xiàn)象,自然界是人類(lèi)最好的老師。我們只有認(rèn)真地觀察自然,認(rèn)識(shí)自然,向自然界的萬(wàn)物學(xué)習(xí),與自然和諧相處,才能認(rèn)識(shí)這些奇特現(xiàn)象所蘊(yùn)含的科學(xué)知識(shí),并體會(huì)到熱愛(ài)自然、觀察自然、認(rèn)識(shí)自然、學(xué)習(xí)自然的樂(lè)趣。