滑动

我凝视着漂浮在气候控制室水池中餐盘大小的绿叶。光线照在叶子中央像珠宝一样的水滴上，但除此之外，它们保持着原始的状态。我和同事安德烈斯正在参观位于绿树成荫的伦敦西部邱园的实验室，想进一步了解此刻我们面前的这种半水生植物 Nelumbo nucifera 。它更为人所知的名字是印度莲花（或者简称莲），是一种连像我这样缺乏植物学知识的人也听说过的植物。莲花在印度教教徒和佛教徒眼中是非常神圣的，通常与纯洁联系在一起，这要归功于它出淤泥而不染的特质。

莲花永远干净的秘密就在它的表面。20世纪90年代初，德国植物学家威尔海姆·巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）教授首次对此进行了科学描述。多年来，巴斯洛特及其同事一直在使用一种叫作扫描电子显微镜（SEM）的成像技术来研究仙人掌、兰花和其他亚热带植物。扫描电子显微镜的分辨率明显高于标准光学显微镜，植物学家通过它发现了许多以前不为人知的结构——植物叶片上的凸起、茸毛和褶皱。植物学家开始怀疑这些结构与他们在一些物种身上观察到的憎水行为之间是否存在联系。通过将扫描电子显微镜成像与接触角分析相结合，并观察340种不同植物的叶片，现在巴斯洛特最终可以回答这个问题了。他发现大多数可湿润的叶片（那些接触角低的叶片）在显微镜下是光滑的，但即使用水冲洗后，它们也往往是脏的。相比之下，疏水性的叶片被蜡质晶体覆盖，使它们在显微镜下看起来很粗糙。另外，它们通常也是纤尘不染的。

最令人赞叹的是那些结合了蜡涂层和各种微结构的叶片。它们的接触角之大，使人误以为它们是超疏水的，但后来人们发现莲叶是所有植物叶片中超疏水之最（θ=162°）。它独特的层次结构——密集排列、大小不一的圆形特征，全都覆盖着一层粗糙而坚固的蜡质晶体——为任何可能想要粘在它上面的物质提供了一个重要屏障（见图5）。水滴无法穿透这片密集的微结构森林。它们最多只能以接近球形水滴的形式停留在顶部，几乎不与叶子真正接触。轻微的摇晃或者些许的倾斜就足以让它滚动起来，而叶子上可能存在的任何灰尘都会被水滴带走。巴斯洛特将这种不黏附、自洁的能力称为“莲花效应”，后来还将这一术语注册成了商标。

从那时起，已经有超过9500篇关于莲花效应的论文被发表。我自己对这一领域的贡献非常小，而且是在我科学生涯的开始阶段。当时，我的任务是研究硅片这种工程表面的润湿特性。硅片经过精心蚀刻，产生了一系列不同的微纳米级图案，然后涂上一层聚合物。实际上，我们从莲叶那里获得了灵感，并想看看我们是否能够利用表面纹理让本来就疏水的表面变得更加疏水。因此，我们在邱园近距离地看到那些纯净的叶子时，可谓大开眼界。它提醒我们，无论我们想要实现什么样的改进，大自然都已经搞定。最后，尽管我们对工程表面的一些结果还不太确定，但我们发现确实可以通过改变材料表面的大小和形状来控制某种材料的防水性能。在最极端的例子中，我们看到两个化学性质相同样本的接触角分别为86°和154°。它们之间的唯一区别在于其表面蚀刻的微小图案。

莲花效应、表面纹理、疏水性及减少沾染污物之间的相互依存关系，促进了自洁玻璃、防污织物和抗真菌涂料等技术的发展。最近一个引起我注意的项目是2020年的TresClean。该项目由欧盟资助，专注于生产用于食品行业和家用电器的超滑抗菌金属和塑料表面。“我们正在研究已知的可以形成生物膜的真正成分。”意大利帕尔马大学阿德里安·卢蒂（Adrian Lutey）博士在电话中告诉我。这些生物膜——细菌和真菌等黏糊糊的微生物层，在潮湿环境下可以在物体表面堆积——在自然界和工业生产中都非常普遍。它们是造成口臭和牙菌斑的原因。它们还会拖慢洗衣机的运转速度，或者堵塞水处理厂的管道。生物膜通常从单个微生物附着在表面开始，因此从理论上讲，如果你能阻止这种事发生，你就能阻止这些膜的形成。TresClean团队研究了两种可能对人类健康构成风险的细菌：大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。二者的几何形状和表面化学性质非常不同。大肠杆菌细胞呈杆状，长达3微米，被一层薄薄的流体膜所包围。金黄色葡萄球菌细胞是球形的，直径小于1微米，无外膜。

然后他们观察了这些悬浮在液体中的细菌如何与一系列不同的表面相互作用：有些未经处理，有些被打磨得如镜子般光滑，还有一些覆盖着通过激光照射产生的纹理。“激光是高度专业化的，”卢蒂解释说，“它产生的超短脉冲持续时间不到万亿分之一秒，可以在金属表面引发一些非常有趣的变化。”激光可以生成包括尖刺、支柱和平行脊在内的微观特征。经过证明，正是最终的脊状纹理——正式的名称是“激光诱导周期性表面结构”（LIPSS）——在阻止细菌黏附方面最有效。通过比较未经处理的不锈钢表面和那些带有LIPSS图案的不锈钢表面，卢蒂和他的同事发现，大肠杆菌含量下降了99.8%，金黄色葡萄球菌含量下降了84.7%。我们“相当确定，LIPSS在抗大肠杆菌方面表现良好，这是因为其表面结构的尺寸。它们的体积比细菌小得多，所以可用的接触面积减少了。这就像细菌细胞坐在一张钉床上一样”。也许令人惊讶的是，表面的润湿性对大肠杆菌几乎没有影响——在疏水性表面和亲水性表面黏附的细菌数量一样少。不过，卢蒂说他们对金黄色葡萄球菌的研究结果就没有那么明确了。“对于为什么会观测到这些减少，我们还没有一个令人信服的解释，不过鉴于金黄色葡萄球菌也不喜欢我们的超疏水尖刺，我们预测表面润湿性和表面形态都发挥了作用。”即使仍有一些待解决的疑问，但这些结果看起来很有希望。当然，很难预测未来的发展会是怎样的。卢蒂希望TresClean的工业合作伙伴（包括欧洲最大的家用电器制造商——博西家电）能把这项技术应用到他们的生产线上。谁知道呢，说不定会出现一种能保持自身清洁的洗碗机。

不过很可能你的厨房里已经存在一个非常有趣的溜滑表面，其中最有名的大概是聚四氟乙烯（PTFE），这本身是一个商标，而它更广为人知的名称是特氟龙（Teflon）。像超级胶水一样，特氟龙是一个意外的发现，最初是化学家在试验新制冷剂时的一个气罐内部发现的。与传说不同的是，这种蜡状白色固体并不是阿波罗太空计划的副产品。事实上，它的耐腐蚀性使它在20世纪40年代的曼哈顿计划中得到了应用。没错，特氟龙对第一颗原子弹的研制起到了推动作用。又过了10年，这种材料才被应用于炊具，尽管那时它的具体配方已经发生了变化。 特氟龙的滑性完全来自其聚合物化学性质，而不是什么像莲花一样的纳米突起或者精心制造的脊状纹理。它的长分子链由碳骨架和围绕它的氟原子组成，它们之间的键被描述为“有机化学中最强的键”。这也导致了特氟龙分子之间高度的黏聚力。在实际应用中，这使得特氟龙对其他分子完全没有吸引力。或者就像史蒂文·阿博特所说的那样，它的“碳氟团不喜欢宇宙中所有非碳氟化合物”。涂在特氟龙表面的化合物没有机会与它发生反应，不能穿透它的结构或者与它的聚合物链交融。实际上，它们忽略了表面，这就是它不黏的原因。毫不意外的是，它的表面能也特别低（根据3M公司的说法是18达因/厘米），而且特氟龙对特氟龙的摩擦系数μ只有0.04。

那么，你可能想知道，这种超级不黏的材料是如何粘在其他表面上的，比如构成你煎锅主体的铝。多年来已经有几种方法获得了专利，但据我所知，它们主要分为两类：一种是基于机械黏附的方法，首先对铝进行喷砂或者酸浴处理，使其表面粗糙化，然后在上面喷涂一层薄薄的特氟龙基底。它不会与表面发生反应，而是被困在第一步产生的小孔和裂缝中。一旦在高温下烘烤，特氟龙就会凝固。继续添加并烘烤几层特氟龙——由于它们可以相互形成化学键，所以它们会形成一个坚固的涂层。第二种使特氟龙粘在其他材料上的方法是对特氟龙本身进行化学处理。你可以通过用带电粒子轰击它，打掉它的一些氟原子，或者用一种化合物来破坏一些碳氟键，并用别的东西取代氟。无论哪种方式，你都会留下暴露的碳原子，而它们急于与某些东西结合。将经过处理的特氟龙压入铝表面或者任何数量的基底材料，这些碳原子就会被牢牢粘住。这样一来，再烘烤一下带有涂层的金属就完工了。在大多数炊具上，特氟龙涂层的厚度为20～40微米，比一张复印纸还薄。由此可见，一个平平无奇的煎锅里蕴含着众多表面科学知识。

特氟龙已经在很多领域找到了它的用武之地，从牙科和雨具到太阳能电池板和空气过滤器，这都要归功于它阻止物质粘连的能力。近年来，市场上出现了摩擦力更低的材料。BAM，一种由硼、铝、镁和二硼化钛制成的复合材料，其摩擦系数不到特氟龙的一半——就像一些类金刚石碳膜一样。不过，就其成本和多功能性而言，似乎没有一种材料能在短时间内抢走特氟龙“顺滑之冠”的头衔。

自古以来，我们对物体表面的认识一直处于不断精进的过程中，从利用地球上的黏土来留下自己的标记，到认识到一片有自洁能力的叶片的完美。利用这些知识，我们可以制作能够控制摩擦和操纵表面与流体之间复杂互动作用的材料。我们可以通过巧妙的设计和化学来创造、构建、连接、增强和美化物体。在我看来，表面科学无疑塑造了我们的世界。 T7fL7W2D2o8+IlbygYurfLZYcxTcIrk/QSPAD94yTnDIDHTmOc7rWzJovUhJYMH/