本文转载自公众号：“格致论道讲坛”
（ID：SELFtalks）
作者：格致论道
我们在生活中会遇到很多的问题，
但只要来到教室之外，你会发现大自然已经提供了很多方法。
董智超· 中国科学院理化技术研究所研究员
格致校园·第43期｜2024年4月25日 北京
大家好，我是董智超，来自中国科学院理化技术研究所。今天我想带着大家一起发现生活中的问题，再去大自然中去寻宝。
寻宝是什么？像是寻找一个阿拉丁神灯，像寻找一个锦囊妙计，我们去找到自然的策略来解决日常生活中遇到的问题。
比如大家喜欢喝酸奶吗？但是当我们用吸管喝完酸奶以后，总会感觉没有喝干净，撕开盖子的时候发现上面还黏附很多酸奶。你会如何去做？会舔酸奶盖吗？我女儿不光会舔酸奶盖，她还会拿手指抹一抹、扭一扭再舔到嘴里。所以我就总去阻止她，因为这样的话，就把手上的细菌带到肚子里去了。
那如何去解决这个恼人的问题呢？希望大家能够听完我的演讲之后，就能找到办法。
再比如说，我们举一个生活中更常见的例子。当我们慢慢地打开水龙头的时候，我们会发现水龙头底下会有水滴会一滴一滴地滴下来。为什么水总会聚集成水滴再滴下来呢？其实它是一个化学问题。
水分子的氧原子跟氢原子之间会产生比较弱的，我们称之为“氢键”的作用。这个氢键让无数的水分子联合在一起，有效地覆盖在表面拉扯着相连的水分子，使其维持成一个球形，就像我们吹泡泡一样。这也就是我们看到雨滴或者水滴总是保持球形的原因。
▲托马斯·杨与杨氏方程
1805年，托马斯·杨观察到一个现象，并为此提出了一个数学方程去解释它的奥秘。
这个方程是什么意思呢。举个例子，我们常常能在玻璃表面发现水膜的存在，尤其是下雨的时候。但是如果在塑料袋上面洒了一滴水滴，我们看到其实是半球形的形态。也就是说，在不同的表面上，水与固体之间相接触的位置会形成不同的角度。这个角度我们可以粗略地把它定义为接触角。当这个接触角小于90度的时候，我们就称之为“亲水”。
而这个角大于90度的时候，我们就称之为“疏水”。
“出淤泥而不染”的魔法
基于这个概念，我们就可以去解释生活中遇到的一些问题。比如说，大家有没有学过毛笔书法的？好多同学都学过，那你们用的是生宣还是熟宣？
有的同学用过生宣的话，就发现会洇纸，墨洇到纸背去。这就是一种浸润现象，我们也把它称之为亲水的表面。这是由于这个纸表面是有很多纤维素，其上分布有很多“-OH”的羟基，它能够跟水形成氢键，牢固地把水束缚在纸的表面。
而当我们使用熟宣的时候，由于它表面会覆盖一层蜡质层，就像我们点灯所用的蜡，有效地阻止了水的渗透。于是当墨汁滴在上面的时候，就会形成一个半球的形状。那这样的特性使我们写字的字迹变得更清晰，也不会洇墨。
▲左：铁锅 右：不粘锅
大家做过饭吗？那你在家里使用的是铁锅还是不粘锅？在炒鸡蛋的时候，如果我们使用的是铁锅，有一个小窍门就是一定要多放油，因为油放少了的话鸡蛋就会粘上去。如果使用不粘锅的话，由于在铁锅表面加上了化学家发明了一种叫做特富龙（Teflon）的涂层，降低了鸡蛋与锅之间的黏附。那么我可能不用油，或者使用少量的油，就能够把鸡蛋煎好，这就是化学的作用。
大家有学过《爱莲说》吗？“出淤泥而不染”就是一个非常典型的疏水的例子。
为什么荷叶会有这样“出淤泥而不染”的自清洁特性呢？我国科学家在2002年的时候发现了这一奥妙。它的叶片看似是光滑的，有一层蜡质层的存在。但是科学家们通过电子显微镜放大植物叶片表面后发现，在微观情况下，叶片上有很多密密麻麻的点状的微纳米复合结构。微米是代表尺度是在微米的尺度，而纳米指的是它会有一些纳米尺度的蜡质绒毛。这种微纳米的结构相结合，就能够有效地将水排斥成一个球形状态，从而实现不粘水以及“出淤泥而不染”的效果。
▲槐叶萍
除了挺水的荷叶以外，浮水植物比如说槐叶萍，也能够用其自身的结构使液滴在其上呈现球状的浸润状态。
骆宾王的诗句大家都读过：“鹅鹅鹅，曲项向天歌。白毛浮绿水，红掌拨清波。”白毛浮绿水又是如何做到的呢？
大家有没有观察过鹅，它经常会用嘴去啄自己的尾部。它的尾部有一个地方叫做尾脂腺，能分泌很多的油脂。于是它在啄毛的时候，就能够把这个油油脂修饰到羽毛的表面，从而实现非常好的防水性，也就是白毛“浮绿水”。
而与之相对应的就是“落汤鸡”。鸡的尾脂腺没有那么发达，所以当下大雨的时候，由于没有那么好的防水效果，它就被浇成落汤鸡了。
在北京，很多街道旁边都有银杏树。等到秋天的时候，树上就会结很多这种外面有些银白色，主体是黄色的一种果子。当我们慢慢地把这个果子插入到水中，就会发现它会包裹了一层气膜。
企鹅也是如此。当企鹅快速地插入到水中，我们可以看到它的尾部有一些白白的气泡，顶上有反光的位置。这也是层气膜，这能够有效地减阻，使企鹅的游泳速度可以达到25-30千米/时。
我们发现，自然界中的植物也好、动物也好，它们利用自身表面特殊的化学组成结构，都能有效地实现超疏水的特性。
也就是说，我们可以利用来自自然的锦囊妙计，用这种微纳米的复合的结构，再加上低表面化学物质的修饰，制作出各种具有超疏水或者不沾水功能的物质。
用自然之道破解生活问题
回到最开始的“酸奶盖”问题。如果我们对酸奶的盖子或者是瓶体修饰一层类似荷叶这样的结构，那么当你再撕开酸奶的时候，盖上就不会有酸奶的黏附。你喝酸奶的时候，就再也不用舔盖了。
其实这种材料，不仅对酸奶盖来说很有用，它其实在我们的日常生活中，都是非常有作用的，遍布于我们的衣、食、住、行。
比如我们把这种材料修饰到衣服上，无论是冬天我们穿的羽绒服，还是我们夏天穿的衬衫，都不用担心下雨的时候会溅湿你的衣服，也不用担心在喝水或者是喝饮料的时候被溅湿了。
即便拿一瓶可乐，拿一瓶番茄酱，洒在衣服上也不用洗，这些污渍自动地就滑落下来了。此时我就可以跟小伙伴一起，尽情地玩耍了。这个就是科学发现带来的好处。现在网络上就可以买到这种超疏水衣服，大家可以去试一试，效果还是不错的。
我们接下来再去说“食”。我们在洗桃子、蓝莓的时候，把它放到水里，再从水里拿出来，会发现它依然是干爽的。所以说去洗这种水果的时候，要加一点洗洁精才能把它洗干净。这种“不好洗”的状态也是天然的超疏水现象。
我们在使用茶壶倒水时，会发现在壶嘴处有勾水现象。南方人习惯将这种现象称之为“流口水”，确实像茶壶流口水一样。
但是如果我们在壶嘴处黏附上这样一个橡胶壶嘴以后，我们再倒水的时候，就不会有这种“流口水”现象的发生。
我们想把瓶子里的番茄酱倒出来是不是特别费劲？但如果修饰上这样的涂层以后，番茄酱也能快速地从瓶子中倒出来，这样的话也就不会浪费番茄酱了。与之相似的，做饭中所使用的蚝油、酱油、豆油，是不是都能用上这种涂层，来提高使用率，减少污染。甚至使用完以后这个瓶子还可以重复利用，更加环保。
关于“住”。在日常生活中，如果在地板、被罩、桌椅上都有这样的涂层以后，我们就再也不用担心水迸溅在上面了，也不用担心它被灰尘弄脏了。
有优秀的防水涂层修饰在我们的楼顶，也再也不会出现诗词中所说的“床头屋漏无干处，雨脚如麻未断绝”的现象了。
在雨季出行时，如果在我们的交通工具上、鞋底上、衣服上，甚至雨伞上都能修饰上这样的超疏水涂料，那么当我们走在湿泞的土地或者在雨中散步的时候，我们就可以静下心来去慢慢地欣赏雨中的风景，再也不用担心衣服、鞋或者身体被雨水打湿。
如果你有这把雨伞，在进入教学楼和教室需要把伞收起来的时候，也不用担心伞上的水滴会滴落到教室当中。
我们在日常生活中能看到很多的问题。但是当我们走出教室，来到大自然中，你会看到自然界中给你提供了很多解决这些问题的方法。
目之所及，皆为界面。希望大家从观察生活、认识自然开始，学好界面化学，让我们的国家、我们的生活在未来变得更美好。
谢谢大家！
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