不沾水的紡織品，不會堵塞且低能耗防霜的納米鋁翅，新型集水裝置……恐怕你無法想像，這些我們日常生活中所用到的納米仿生技術，都是大自然給我們的啟示。那麼，那些常見的昆蟲和植物，究竟隱藏著哪些不為人知的「黑科技」？
出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所高雪峰演講實錄：
下面我會分享：這些生物經過數百萬年的進化都具有哪些特異功能以及獨特的微納結構，它們又能給科研人員提供哪些靈感、助力工程技術難題的解決。
超疏技術的誕生與原理
我們生活的地球往往又被稱為藍色星球，具有豐富的動植物資源，包括我們人類，都極其依賴水資源。
水，又被稱之為生命的源泉，如果沒有水，想像一下，綠洲會變成荒漠、人類和動植物都難以生存，從這個意義上講，我們是離不開水的，每天都需要喝水，洗澡生活也需要用水。但另一方面，水，也會給我們日常生活和工業生產帶來許多困擾。
舉個例子，在日常生活中可能都有過這樣的經歷：下雨天，你的衣服會溼，非常不方便；天氣寒冷，淋溼了，老人小孩很容易會感冒。
是不是曾經都想過，有沒有一種技術，能夠使衣服不怕水、不會被浸透。其實，這個就是我要講的超疏水納米科技。
先展示一個簡單的小實驗，小朋友在家長的陪同下在家裡面就可以實現：當我們把鐵鍋或者鋼板燒得很燙的時候，水在表面會四處飛濺。這其實就是一種超疏技術、水在表面完全不沾的。
這種超疏技術的實現原理：就是通過高溫加熱。快速在水與固體接觸的界面處會快速產生蒸汽，從而可以託住液滴、阻止水在材料表面浸潤、鋪展。
但問題是：這種技術非常耗能，而且幾百度的高溫燙死人了，沒法用。儘管這種方法容易實現，但沒法真正實現應用。
荷葉的超疏水技術
自然界經過數百萬年的進化，有各種神奇的功能，我們人類的發展史，實際上就是不斷學習、模仿自然的過程。針對這個工程技術難題，自然界有沒有什麼好的解決方案呢？
荷花，在我們日常生活中很常見，每到夏天，在許多池塘都會成為一道亮麗的風景。古人很早就已經意識到，蓮花具有出淤泥而不染的神奇特性，在亞洲，荷葉更是被認為是聖潔的象徵。其實，這些都是源於荷葉表面雨水不沾的神奇特性。
通過這個小視頻，我們可以更加直觀的感受到：水是很難在荷葉表面駐留的，會瞬間滾離。這就是我們人類所希望擁有的超疏水技術。
想像一下，荷葉表面的灰塵是不是很容易就被水帶走了，即使我們在荷葉表面撒上很多泥土，只要一澆水，表面立刻會幹乾淨淨，這就是為什麼荷葉之所以被認為聖潔的原因。
在高倍電子顯微鏡下，我們可以發現荷葉表面分布有無數的微米乳突，每個乳突的大小大概6~9um，間距是20um。
這是什麼概念呢，一米縮小1000倍就是1mm，1mm再縮小1000倍就是1um，而1um再縮小1000倍就是1nm。這種微米乳突是多麼的精細。
更有意思的是，如果進一步放大，我們還會發現：每個微米乳突以及乳突和乳突縫隙的表面還包覆有更精細的納米突起。荷葉表面其實是一種精細的微納複合結構，而不是我們肉眼所看到的光滑平整表面。
光滑平整表面通常是固液兩相接觸，液滴黏附在表面很難去除，而荷葉表面的微納結構可以實現固-液-氣三相接觸，液滴會懸浮在微納結構表面，水珠與固體表面的接觸面積也會大大減小。也就是說，固-液界面黏附會大大降低，水滴在表面很容易滾離，並且沿途帶走灰塵。
受荷葉靈感啟發，我們就可以人工研製超疏水界面，水滴可以完全不沾。
如果超疏水表面撒上白色粉末來模擬灰塵，滴水就很容易實現表面清潔。即使液滴高速撞擊，液滴完全都碎裂了，細小的水珠也不會在表面駐留。
受荷葉超疏水自清潔原理的啟發，科學家已經研製出完全不沾水的紡織品、遇水能夠自清潔的功能塗料。
水有多種形態，除了宏觀尺度的雨水，我們在冬天或者遇到低溫潮溼的環境，還會遇到冷凝現象。
什麼是冷凝？就是空氣中的水分子會在低溫材料表面凝結，比如從冰箱裡拿出冰鎮的雪碧或者可樂的時候，表面會很快形成冷凝水；寒冷的冬天，當我們從室外進入空調房時，房間內的溫暖的水汽會很容易在眼鏡表面凝露，眼鏡表面一旦凝露，就看不清了。
我們都知道：荷葉是生長在夏天的，那荷葉表面的超疏水微納結構能防水汽穿透嗎？在低溫潮溼的環境下，還是超疏水的嗎？
答案是，不能！如果對荷葉表面降溫，我們就很容易發現，荷葉表面會有很多的冷凝水，但此時的冷凝水已經不再是球形的水珠，而是不規則的、扁平的液滴，換言之，荷葉微納結構已經被水穿透了。
為什麼荷葉對雨水是超疏水的，而在低溫潮溼環境下會被冷凝液穿透，原因在於：周邊的水分子尺寸非常小，遠遠小於荷葉微米乳突以及納米突起之間的縫隙，水分子會優先在微納結構縫隙內部凝結，之後不斷地吸收水汽長大，冷凝液會牢牢地黏附，很難去除。
冷凝微液滴融合自彈性去除
我曾經看過一部法國紀錄片，名字叫微觀世界，講了各種昆蟲的神奇功能，其中一個鏡頭給我留下了深刻的印象。蚊子的幼蟲是在水下繁衍棲息的，但當它長大後竟然能克服水的粘滯，從水中鑽出來，站在水表面，瞬間飛離。
兒時或許都有這樣的經歷：把螞蟻或者小昆蟲扔進水裡，它們會被淹死。所以當看到這一幕的時候，我感到非常震驚！
蚊子，人們都很熟悉，夏天會咬人，大家很討厭它，但是蚊子其實渾身都是寶，蚊子的口器實際上就是一種無痛針，如果人類能夠仿造，那麼以後小朋友打針就不疼了。
我這裡關注的是：蚊眼作為一種精密的光學元件，其本身是超疏水的，其表面能否防霧？
於是我們做了一個實驗，將捕捉的蚊子黏附在雙面膠表面，一邊噴霧一邊在高分辨光學顯微鏡下觀測：我們發現水汽會在蚊子的口器以及觸角表面凝結成球狀的微滴，但是在蚊眼表面卻不會。換言之，蚊眼表面可以防霧。
不同於荷葉表面鬆散的微米乳突納米突起結構，蚊眼表面覆蓋有一層更精細的、能夠緊密排列的納米錐，正是這種獨特的密排列納米錐陣列結構阻止了霧滴的黏附。
這種結構在自然生物中普遍存在，比如蟬翼表面也有類似的密排列納米錐陣列結構，在低溫潮溼條件下，不僅可以有效的阻止冷凝液的穿透，更神奇的是，這些球狀的冷凝液滴可以通過相互融合實現自彈射去除。
通過理論計算分析，我們可以知道，冷凝液滴相互融合釋放的過剩表面能要高於界面黏附引起的能量耗散，換言之，有足夠的表面能轉換成機械能實現融並液滴的自彈射去除。
這個是非常神奇的，超疏水荷葉表面的水滴一般是在重力作用下滑離或者是撞擊彈離，而冷凝微滴由於尺寸非常小，重力效應不起作用，其完全依賴於冷凝液滴相互融合釋放的微弱過剩表面能來驅動。
受此啟發，我們提出了「材料表面原位生長密排列納米針錐就可以實現小尺度冷凝微液滴融合自彈射去除」的策略。左側這張是光學正視圖，可以看到，冷凝液滴通過相互融合自動從表面消失。右側是光學側視圖，我們可以清晰地看到冷凝液滴在表面自彈射去除的軌跡。
通過這個視頻，能夠更直觀地感受到：冷凝液滴在納米仿生表面能夠自彈射去除、很難長時間駐留。這種新型的、冷凝微滴可自彈射去除的納米仿生技術，正好能夠解決空調散熱器翅片通道易被冷凝液阻塞的技術難題。
空調翅片通道的間隙往往只有一兩個毫米，冷凝液很容易阻塞通道，嚴重影響空氣對流以及室內降溫，非常耗電。
受蟬翼啟發，我們已經成功研製具有冷凝微滴自彈射去除功能的納米鋁翅，表面的冷凝液滴只有30-50um，我們研製的納米鋁翅不會出現冷凝液堵塞現象，而且還具有低能耗防霜的功效，與左側現有商用空調鋁翅形成鮮明對比。
有意思的是，這種納米仿生界面還具有防凍雨結冰的功能，這是因為這種界面不僅能夠防水汽穿透，而且還具有超疏水低黏附功能。
我們可以清晰地看到，零下二十度的凍雨，一旦落到普通金屬表面會瞬間凍結。
而撞擊到納米仿生表面則會瞬間彈離、還會帶走表面冷凝液。
下圖顯示了過冷水流遇到普通金屬以及納米仿生界面會呈現截然不同的效果，金屬表面瞬間鋪滿固體冰層，而納米仿生界面凍雨完全不沾。
這種技術未來有望解決飛機機翼仿凍雨結冰的工程技術難題。我們知道，當飛機經過雲端遇到過冷雨時，機翼表面會瞬間結冰，這就會極大的影響飛機的安全，嚴重時甚至會導致機毀人亡。
而現有的解決方案是當飛機遇到過冷雨時，機翼需要長時間高功率加熱，把水分蒸發掉，這是非常耗能的。因此，金屬表面納米仿生功能化是非常有應用前景的。
自然的啟示
我們現在在江南地區，環境優美，雨水豐沛，是非常幸福的。但是，在我國西部，有些地方還是很乾旱的，年降雨量遠遠小於蒸發量。即使如此，空氣中還是有不少水分的，那有沒有什麼辦法或者技術，可以把空氣中的水收集起來用於飲用或者灌溉。
在乾旱的沙漠中，大部分植被都很難生存，但仙人掌卻可以生存。
這是因為空氣中的水分可以在仙人掌刺的表面凝結並定向輸運至其根部。受此靈感啟發，就可以研製新型仿仙人掌刺的集水裝置用於植被灌溉。
在非洲納米布沙漠，有一種神奇的小昆蟲，它依靠背部特殊形貌及微納結構可以把海邊吹拂過來的薄霧收集成液態水，只要屁股朝天，凝結水就會源源不斷流進它的口器，滿足其生存需要。
受此啟發，就可以研製新型集水裝置，可以滿足一些特殊地區的飲水需求。
在清晨散步時，看到過蜘蛛絲凝結水的現象，這也是很有意思的。受蜘蛛絲集水原理的啟發，未來有望研製更先進的霧水收集裝置。
我們居住的藍色星球擁有不計其數的動植物資源，這是一筆巨大的寶藏。今天所分享的只是冰山一角，我們相信，納米仿生科技在不久的將來能夠讓我們的生活更加美好。
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