當我們用吸管喝完酸奶，撕開蓋子，上面依舊粘附著很多酸奶，利用一個數學方程式，就能夠成功解釋它的奧秘。並且，如果用微納米的復合結構，制作出各種具有超疏水或者不沾水功能的物質，就能成功解決「酸奶蓋」的問題…
出品：格致論道講壇
以下內容為中國科學院理化技術研究所研究員董智超演講實錄：
大家好，我是董智超，來自中國科學院理化技術研究所。今天我想帶著大家一起發現生活中的問題，再去大自然中去尋寶。
尋寶是什麽？像是尋找一個阿拉丁神燈，像尋找一個錦囊妙計，我們去找到自然的策略來解決日常生活中遇到的問題。
比如大家喜歡喝酸奶嗎？但是當我們用吸管喝完酸奶以後，總會感覺沒有喝幹凈，撕開蓋子的時候發現上面還黏附很多酸奶。你會如何去做？會舔酸奶蓋嗎？我女兒不光會舔酸奶蓋，她還會拿手指抹一抹、扭一扭再舔到嘴裏。所以我就總去阻止她，因為這樣的話，就把手上的細菌帶到肚子裏去了。
那如何去解決這個惱人的問題呢？希望大家能夠聽完我的演講之後，就能找到辦法。
再比如說，我們舉一個生活中更常見的例子。當我們慢慢地開啟水龍頭的時候，我們會發現水龍頭底下會有水滴會一滴一滴地滴下來。為什麽水總會聚整合水滴再滴下來呢？其實它是一個化學問題。
水分子的氧原子跟氫原子之間會產生比較弱的，我們稱之為「氫鍵」的作用。這個氫鍵讓無數的水分子聯合在一起，有效地覆蓋在表面拉扯著相連的水分子，使其維持成一個球形，就像我們吹泡泡一樣。這也就是我們看到雨滴或者水滴總是保持球形的原因。
▲杜文·楊與楊氏方程式
1805年，杜文·楊觀察到一個現象，並為此提出了一個數學方程式去解釋它的奧秘。
這個方程式是什麽意思呢。舉個例子，我們常常能在玻璃表面發現水膜的存在，尤其是下雨的時候。但是如果在塑膠袋上面灑了一滴水滴，我們看到其實是半球形的形態。也就是說，在不同的表面上，水與固體之間相接觸的位置會形成不同的角度。這個角度我們可以粗略地把它定義為接觸角。當這個接觸角小於90度的時候，我們就稱之為「親水」。
而這個角大於90度的時候，我們就稱之為「疏水」。
「出淤泥而不染」的魔法
基於這個概念，我們就可以去解釋生活中遇到的一些問題。比如說，大家有沒有學過毛筆書法的？好多同學都學過，那你們用的是生宣還是熟宣？
有的同學用過生宣的話，就發現會洇紙，墨洇到紙背去。這就是一種浸潤現象，我們也把它稱之為親水的表面。這是由於這個紙表面是有很多纖維素，其上分布有很多「-OH」的羥基，它能夠跟水形成氫鍵，牢固地把水束縛在紙的表面。
而當我們使用熟宣的時候，由於它表面會覆蓋一層蠟質層，就像我們點燈所用的蠟，有效地阻止了水的滲透。於是當墨汁滴在上面的時候，就會形成一個半球的形狀。那這樣的特性使我們寫字的字跡變得更清晰，也不會洇墨。
▲左：鐵鍋
右：不粘鍋
大家做過飯嗎？那你在家裏使用的是鐵鍋還是不粘鍋？在炒雞蛋的時候，如果我們使用的是鐵鍋，有一個小竅門就是一定要多放油，因為油放少了的話雞蛋就會粘上去。如果使用不粘鍋的話，由於在鐵鍋表面加上了化學家發明了一種叫做特富龍（Teflon）的塗層，降低了雞蛋與鍋之間的黏附。那麽我可能不用油，或者使用少量的油，就能夠把雞蛋煎好，這就是化學的作用。
大家有學過【愛蓮說】嗎？「出淤泥而不染」就是一個非常典型的疏水的例子。
為什麽荷葉會有這樣「出淤泥而不染」的自清潔特性呢？中國科學家在2002年的時候發現了這一奧妙。它的葉片看似是光滑的，有一層蠟質層的存在。但是科學家們透過電子顯微鏡放大植物葉片表面後發現，在微觀情況下，葉片上有很多密密麻麻的點狀的微納米復合結構。微米是代表尺度是在微米的尺度，而納米指的是它會有一些納米尺度的蠟質絨毛。這種微納米的結構相結合，就能夠有效地將水排斥成一個球形狀態，從而實作不粘水以及「出淤泥而不染」的效果。
▲槐葉萍
除了挺水的荷葉以外，浮水植物比如說槐葉萍，也能夠用其自身的結構使液滴在其上呈現球狀的浸潤狀態。
駱賓王的詩句大家都讀過：「鵝鵝鵝，曲項向天歌。白毛浮綠水，紅掌撥清波。」白毛浮綠水又是如何做到的呢？
大家有沒有觀察過鵝，它經常會用嘴去啄自己的尾部。它的尾部有一個地方叫做尾脂腺，能分泌很多的油脂。於是它在啄毛的時候，就能夠把這個油油脂修飾到羽毛的表面，從而實作非常好的防水性，也就是白毛「浮綠水」。
而與之相對應的就是「落湯雞」。雞的尾脂腺沒有那麽發達，所以當下大雨的時候，由於沒有那麽好的防水效果，它就被澆成落湯雞了。
在北京，很多街道旁邊都有銀杏樹。等到秋天的時候，樹上就會結很多這種外面有些銀白色，主體是黃色的一種果子。當我們慢慢地把這個果子插入到水中，就會發現它會包裹了一層氣膜。
企鵝也是如此。當企鵝快速地插入到水中，我們可以看到它的尾部有一些白白的氣泡，頂上有反光的位置。這也是層氣膜，這能夠有效地減阻，使企鵝的遊泳速度可以達到25-30千米/時。
我們發現，自然界中的植物也好、動物也好，它們利用自身表面特殊的化學組成結構，都能有效地實作超疏水的特性。
也就是說，我們可以利用來自自然的錦囊妙計，用這種微納米的復合的結構，再加上低表面化學物質的修飾，制作出各種具有超疏水或者不沾水功能的物質。
用自然之道破解生活問題
回到最開始的「酸奶蓋」問題。如果我們對酸奶的蓋子或者是瓶體修飾一層類似荷葉這樣的結構，那麽當你再撕開酸奶的時候，蓋上就不會有酸奶的黏附。你喝酸奶的時候，就再也不用舔蓋了。
其實這種材料，不僅對酸奶蓋來說很有用，它其實在我們的日常生活中，都是非常有作用的，遍布於我們的衣、食、住、行。
比如我們把這種材料修飾到衣服上，無論是冬天我們穿的羽絨服，還是我們夏天穿的襯衫，都不用擔心下雨的時候會濺濕你的衣服，也不用擔心在喝水或者是喝飲料的時候被濺濕了。
即便拿一瓶可樂，拿一瓶番茄醬，灑在衣服上也不用洗，這些汙漬自動地就滑落下來了。此時我就可以跟小夥伴一起，盡情地玩耍了。這個就是科學發現帶來的好處。現在網絡上就可以買到這種超疏水衣服，大家可以去試一試，效果還是不錯的。
我們接下來再去說「食」。我們在洗桃子、藍莓的時候，把它放到水裏，再從水裏拿出來，會發現它依然是幹爽的。所以說去洗這種水果的時候，要加一點洗潔精才能把它洗幹凈。這種「不好洗」的狀態也是天然的超疏水現象。
我們在使用茶壺倒水時，會發現在壺嘴處有勾水現象。南方人習慣將這種現象稱之為「流口水」，確實像茶壺流口水一樣。
但是如果我們在壺嘴處黏附上這樣一個橡膠壺嘴以後，我們再倒水的時候，就不會有這種「流口水」現象的發生。
我們想把瓶子裏的番茄醬倒出來是不是特別費勁？但如果修飾上這樣的塗層以後，番茄醬也能快速地從瓶子中倒出來，這樣的話也就不會浪費番茄醬了。與之相似的，做飯中所使用的蠔油、醬油、豆油，是不是都能用上這種塗層，來提高使用率，減少汙染。甚至使用完以後這個瓶子還可以重復利用，更加環保。
關於「住」。在日常生活中，如果在地板、被罩、桌椅上都有這樣的塗層以後，我們就再也不用擔心水迸濺在上面了，也不用擔心它被灰塵弄臟了。
有優秀的防水塗層修飾在我們的樓頂，也再也不會出現詩詞中所說的「床頭屋漏無幹處，雨腳如麻未斷絕」的現象了。
在雨季出行時，如果在我們的交通工具上、鞋底上、衣服上，甚至雨傘上都能修飾上這樣的超疏水塗料，那麽當我們走在濕濘的土地或者在雨中散步的時候，我們就可以靜下心來去慢慢地欣賞雨中的風景，再也不用擔心衣服、鞋或者身體被雨水打濕。
如果你有這把雨傘，在進入教學樓和教室需要把傘收起來的時候，也不用擔心傘上的水滴會滴落到教室當中。
我們在日常生活中能看到很多的問題。但是當我們走出教室，來到大自然中，你會看到自然界中給你提供了很多解決這些問題的方法。
目之所及，皆為界面。希望大家從觀察生活、認識自然開始，學好界面化學，讓我們的國家、我們的生活在未來變得更美好。
謝謝大家！
「格致論道」，原稱「SELF格致論道」，致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展，由中國科學院電腦網絡資訊中心和中國科學院網絡安全與資訊化辦公室主辦，中國科普博覽(中國科學院科普雲平台)提供技術支持。
