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俗话说，人往高处走，水往低处流。但是实际情况真的是这样吗？显然不是，在漫长的人生历程中，每个人都难免遇到低谷，同样的，水也不一定一直往低处走，有时也会逆重力而上，向着更高处流淌。比如
看见了吗！我上来了！这样的魔力是不是很神奇？接下来就让我们揭开“水往高处走”的神秘面纱。
所谓“水往高处走”，其实并不是很准确，准确来讲，应该是“水往你需要的任何方向走”，这一现象在科学界叫做液体的定向运输，这种定向运输有许多种可能的原因，有的依赖于物体表面的润湿性，有的依赖于外部场，而我们今天要介绍的，依赖于植物表面特殊的结构——棘轮结构。
在介绍这种结构之前，我们先来认识一下具备这种结构的植物——智利南洋杉。
🔺智利南洋杉
智利南洋杉，直径1-1.5米，高度30-40米。常绿乔木，枝条轮生；冬芽小。叶片由向叶尖倾斜的周期性排列的棘轮组成，叶螺旋状排列，鳞形或卵状三角形，叶形及其大小往往在同一树上也有变异。
科学界一般用液体与表面的接触角来评价液体在表面上的亲水程度，通常来讲接触角大于90°为疏水，小于90°为亲水。研究者测得在南洋杉叶片上水的接触角为59°，乙醇的接触角为21°具有典型的亲水性。因为接触角的差异，当连续注入水和乙醇（流速为3ml/s）时，研究者发现乙醇沿棘轮倾斜方向扩散，而水沿相反方向传播。
这种有趣的结构引发了研究者的关注，他们采用3D打印技术构造了相似的结构，ALIS由几排平行的棘轮阵列组成，螺距p = 750 mm，倾角a = 40° ，高度h = 800 mm，排对排宽度w = 1000 mm，内对内宽度d = 400 mm, R1 = 400 mm, R2 = 650 mm。
🔺ALIS棘轮结构
同样的，研究者也利用结构的这种性质做了上述的实验，将c = 40% 和c = 10% 的水-乙醇混合物以3 ml/s 流速注入ALIS上，如图：c = 40% 的混合液呈现正向输送，而c = 10% 的则显示反向传输，与上面植物的现象一致。
相信大家一定对这种现象的机理非常感兴趣，在进一步观察了液体在棘轮结构的流动过程以后，研究人员对此给出了解释；这种现象的发生可以归结于表面张力的作用和钉柱效应，最初，当液体在两个相邻棘轮之间的凹槽中填充时；液体被四个关键位置所限制，即底部向前(b+)、底部向后(b−)、顶部向前(t+)和顶部向后(t−)。
🔺棘轮结构横向图
研究θ = 32° 和θ= 60° 两种代表性液体的接触线：
θ = 32° 的液体破坏b+位置的钉柱，从底部到顶部润湿棘轮。当它上升时，出现一个从下到上的上升周期，导致向前的连续长距离传播（A）；θ = 60° 的液体在b+和b-位点都被钉住，选择向顶部(t+和t -) 的路径，通过连续的自上而下的芯管沿反向传播(B)。
在上述的过程中，研究者发现棘轮结构能够实现一定程度上的逆重力运输，为此研究者设计相应的实验来验证逆重力运输，实验现象如下
通过上述介绍我们可以认识到，自然界中水的确可以往高处走，利用南洋杉叶片独特的棘轮结构，通过表面张力和钉柱效应的作用，不同润湿性的液体可以实现不同方向的定向运输，并且还能一定程度是逆重力运输。这种结构可以巧妙地利用，为流体流动带来许多优势，例如控制良好的方向转向、自我推进、高速和长距离运输。
自然界很多地方都有类似的现象，人们通过学习自然，效仿自然来发展全新的科技，实现更高的目标，师法自然，科学，就在自然之中。
[1] S. Feng, Z. Wang* et al. Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering. Science. 2021, 373,1344-1348
[2] 智利南洋杉_百度百科
[3] 赵亚溥. (2012). 表面与界面物理力学. 科学出版社.
图片源自于网络和AI创作，仅供科普参考
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