偶极

事实证明，这些纳米级的刚毛能够与表面进行如此亲密的接触，是因为它们利用了一种作用于原子之间的极其微小的力。范德瓦耳斯力以其发现者荷兰科学家约翰内斯·迪德里克·范德瓦耳斯（Johannes Diderik van der Waals）的名字命名，它们并不是反应分子之间形成化学键时产生的力。相反，它们是在已经“平衡”分子之间形成的。要想了解它们的来历，请回想一下你在学校科学课上看到的原子图。

你现在可能想到的是带负电的电子，在中心（带正电的）原子核周围精心排列成同心层。但实际情况并非如此。电子在不停地移动，飞快地旋转，如果我们能看到，它们的样子更像是一团模糊的云，而不是一堆固体粒子。一般来说，这种云是对称的，这意味着该原子不带电荷。但在任意给定的时刻，原子一侧的电子很可能略多于另一侧。这导致了暂时但真实存在的电荷不平衡现象，被称为“瞬时偶极”，即原子一侧带负电，而另一侧带正电。 只有当另一个原子与偶极子紧密接触时，这种现象才真正有意义。当这种情况发生时，新原子中的电子将重新排列，因此它也会暂时极化，其略带正电的一侧被原始原子略带负电的一侧吸引。这又会吸引更多的原子，产生更多的临时偶极子，如此循环往复，形成了一个惊人的稳定系统。原子（或者分子）之间通过这些电子位置的奇怪波动而产生的相互作用力就是我们所说的范德瓦耳斯力。

这些力与一般静电相互作用的一个主要区别是规模。这些范德瓦耳斯力比传统分子键中的那些力要弱得多，在传统分子键中，电子被不同的原子共享、捐赠或接纳。另外，它们能在大约10纳米的微小距离上运作。一旦原子之间超过这个距离，范德瓦耳斯力便不复存在。值得庆幸的是，我们的朋友壁虎拥有弥补这一差距所需的所有层级硬件。它脚上大而柔韧的皮褶帮助它贴近表面，浓密的刚毛提供了更大的表面积，进一步增加了接触，而纳米级的铲状匙突离表面是如此近，足以吸引单个原子中的电子。因此，壁虎的抓持力完全靠电流。

所有壁虎，无论是野生的还是圈养的，都会根据自己的活动有规律地改变脚的方向。如果一只壁虎正在墙上爬，它的四只脚都指向大致相同的方向——向前，脚趾稍微偏离身体（想想“爵士手”）。但如果壁虎掉头向下爬，它就会转动后脚，让那些脚趾向后指向尾巴。现在我们知道壁虎通过范德瓦耳斯力黏附，而这些力是由刚毛和铲状匙突的方向控制的，所以改变它们脚的位置很有意义。壁虎的黏附力完全是方向性的，所以只有当有相对的力相互作用时才会起效。正如我们所发现的那样，重力对壁虎在墙上攀爬是有帮助的——它把刚毛往下拉，通过调用范德瓦耳斯力来开启黏性。但是对下墙的壁虎来说，重力试图扭转刚毛的方向，这就有切换到非黏性模式的风险。通过转动后脚，壁虎可以再次利用重力“有利的一面”——两只脚上完全啮合的刚毛足以支撑它的重量。对于穿越天花板的壁虎来说，它的脚也是平衡力量的关键。壁虎调节腿的姿态，使四只脚以身体为中心向外伸展。这让重力均匀地拉扯着每只脚，让尽可能多的刚毛参与进来。在那样一个摇摇欲坠的处境下，这是一个有用的支撑！

在2002年的研究中，凯勒·奥特姆和他的合作者计算出单根刚毛和表面之间的范德瓦耳斯力约为0.04毫牛。 不管怎么说，这都是一个非常小的力。但当你想起一只大壁虎有大约400万根刚毛可供利用时，你很快就会意识到，它的黏附力远远超过了壁虎支撑自身的实际需求。人们常说，壁虎只需不到1%的刚毛就能支撑自身的重量。但正如阿莉莎·斯塔克告诉我的，这并不一定意味着它们被过度设计了。“你必须记住，这些研究都是在受控实验室中精心准备的洁净表面进行的，”她说，“当我在塔希提岛研究壁虎时，我们看到它们在布满青苔的树木、粗糙的岩石和肮脏潮湿的树叶上爬行。缺少脚趾，或者脚趾失去功能，对野生壁虎来说早已司空见惯，所以它们不太可能同时使用所有的刚毛。”因此，与其说是设计过度，不如说是恰好拥有应对多变、复杂环境的能力。 rl8fsl/C1Ual8LxByjZ7O9/p4PF30JnqK+IUjmQ/81WZc+mA4Y1mfGkK3lzBZkH1