水能往高處流：是什麼「魔力」讓液體克服重力？

圖片來源：搜狐網

導讀

眾所周知，「人往高處走，水往低處流」。但是年少而對世界充滿好奇的我們，是否在仲夏的某個夜晚，面對著滿天星空，想過有沒有什麼辦法可以讓水往高處流呢？仿生領域的研究使得曾經的好奇不再是夢。研究表明沙漠甲蟲、荷葉、潤溼蛛絲等包含可以定向運輸水的生物原型數不勝數。研究最廣泛的生物原型莫過於豬籠草，經過科學家對豬籠草捕蟲功能的系列探究，發現了豬籠草內部的水滴逆向搬運機理，使得水往高處流不再是夢。這些特異功能通常歸功於其納微尺度上的分級結構，運輸過程中的驅動力主要是表面能梯度和拉普拉斯壓力梯度。

本文總字數3968，閱讀約13分鐘。

作者簡介

強振峰，清華大學精密儀器系20級博士生，導師為王雪教授。目前主要研究方向為氣體傳感器系統研究。

1

豬籠草宏觀結構解析

豬籠草屬於熱帶食蟲植物。其擁有一個獨特的吸取營養的器官-捕蟲籠，捕蟲籠呈圓筒形，下半部稍膨大，籠口上具有蓋子，因其形狀像豬籠而得名。如圖1所示，翼狀豬籠草葉籠主要由籠蓋、唇部、蠟質區和消化區四個部分構成。籠蓋覆蓋在籠口的上方，主要可防止雨水進入籠中，避免雨水進入降低籠中消化液的酸性。唇部由大量的徑向脊規則的排列組成，由內向外蜿蜒伸出，包裹在籠口上，其紅色的顏色特徵以及分泌的蜜液能吸引昆蟲，而其儲存液體的溝槽所形成的超潤滑結構能滑落昆蟲。蠟質區表面覆蓋了一層白色的蠟質，具有滯留昆蟲防止其逃離葉籠的功能。

圖1 豬籠草形貌圖

2

逆向運輸原理的研究及揭秘

豬籠草唇部的表面形態研究一直吸引著國內外學者的目光，如圖2所示，英國劍橋大學U.Bauer對豬籠草唇部捕蟲機理進行了分析，發現其唇部表面分布高度規則的微觀結構，該結構由雙級徑向脊構成，第一級徑向脊高度、跨度和形狀有較大差異，而第二級徑向脊由整齊的表皮細胞組成，分布比較均勻。進而產生了豬籠草唇部親水特性，研究表明這兩級徑向脊增大了表面粗糙度，利用微觀形貌和毛細作用力能使液體完全潤溼表面。在潮溼環境下，豬籠草唇部始終被一層薄水膜所覆蓋。

圖2 豬籠草唇部表面微觀形貌

(a)豬籠草葉籠；(b)蝴蝶吸取唇部的蜜液；(c)內邊緣齒狀凸起；

(d-e)雙級徑向脊結構；( f-h )唇部截面圖；(g)消化區的消化腺；

(i)蠟質區蠟質層表面

對豬籠草內部水滴定向搬運研究做出主要貢獻的當屬北京航天航空大學陳華偉課題組，相關研究成果已經發表在頂級期刊《Nature》。文章報導了豬籠草唇部能單方向地搬運水滴，使水滴從葉籠內側搬運到外側。在搬運過程中，豬籠草捕蟲籠唇部的液體能克服地心引力，沿著單一方向從低處往高處快速流動。現已成功揭露水分定向連續運輸原理，並構建了定向運輸模型。

研究團隊的仿生對象是菲律賓特有的熱帶食蟲植物翼狀豬籠草（Nepenthes alata，又稱為紅豬籠草）。該豬籠草長度為10-15釐米，籠口邊緣具有稱為「唇部」（peristome）的拱形環狀組織，從內緣至外緣的寬度約1-2公分，看似光滑的唇部表面其實有多級稜槽結構。通過掃描電鏡發現，一級溝槽的寬度大約461.72士49.93μm，第二級溝槽寬度約為第一級結構的十分之一，在每條二級溝槽中連續分布鴨嘴狀楔形孔陣列結構，且有著弧形外輪廓。楔形盲孔的開放角從90°下降到大約28°，開放角的變化，形成了結構梯度，使得毛細作用力發生變化，使得水滴逆向運輸。因此，豬籠草唇部的液膜連續搬運機制是由其楔形盲孔實現的。

通過深入探討豬籠草唇部的微觀結構特徵和液體移動機制。研究表明聚集在口緣區內邊緣的水滴在幾秒鐘內即可移動到外部邊緣，而外部邊緣的小水滴不能向內部移動。如圖3所示，研究團隊利用原位顯微觀測設備（原為觀測設備指的是在性能測試實驗開展的同時，結合系統設備集成的掃描電鏡等設備，實現實驗過程中對豬籠草形貌變化的實時觀測）發現水的運輸被限制在單個大通道內，大通道垂直於口緣區邊緣分布，而水的橫向流動不超過原本沉積區的寬度。水在擴散過程中會固定在微腔內側端的尖銳邊緣，形成水針（water pinning），造成負壓鎖住液體，並防止水從唇部外緣向內緣運送。因此水會先沿著微腔的楔形角擴散，利用毛細現象（即液體在細管狀物體內側，因內聚力與附著力的差異，會克服地心引力而上升）使水面不斷升高，然後把空氣排除、並充滿微腔，最後留在微腔前方。而且一個微腔還沒有完全填滿水時，就會開始填充重疊的相鄰微腔，透過不斷重覆灌滿有梯度差的微腔，將水一級一級往上搬運，就能在完全不耗費能量的情況下，實現水滴從內緣到外緣的連續定向運輸。並且楔形角越小，單向搬運的速度就越快。

圖3 基於原位觀察的豬籠草唇部表面的水滴定向運輸原理

3

逆向運輸模型構建

在豬籠草捕蟲唇部表面的微結構和液體運輸機制的基礎上，為了深入分析水滴定向運輸機理，研究團隊開展了數學分析並建立理論模型，以聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane，簡稱PDMS）為基材，成功製造出仿生人造豬籠草唇部表面薄膜。測試發現僅親水性的PDMS表面才能實現液體定向運輸功能，且水滴在親水性表面的接觸角臨界值要小於65°（以往認為疏水性和親水性間的臨界值為90°）。而人薄膜表面的親水性越高，水的傳輸速度越快，最快速度可達每秒78±12毫米，且性能越持久，呈現出無動力就能定向連續運輸水分由低處往高處流的現象。在這一發現的基礎上，利用仿生設計製造方法，提取出豬籠草表面的典型特徵結構，即弧形外輪廓和楔形孔，創新性地將斜坡曝光與二次曝光光刻技術相結合，模擬豬籠草口緣區表面結構進行了壓印成形，成功複製了豬籠草口緣區的工作機制。成功設計並造出了液體單方向鋪展搬運仿生表面，完善了單方向鋪展搬運表面技術體系[63]。

平面上液體Young接觸角θ和角落張角α滿足下式，液體就可以無界生長。

此時，毛細管生長高度可由下式給出：

式中，γ為表面張力；ρ為液體密度；θ為水的接觸角；g為重力常數。

自然界中往往不是簡單的毛細生長（張角恆定不變），而是更加有彈性（張角是變化的）。豬籠草究竟是通過建造口緣區的特殊梯度來產生梯度。具體來說：某一微腔的張角α1比他上面的微腔的張角α2大。對於這種情況，當α1＞α2時，假設兩者之差無窮小，其毛細管生長高度可由下式給出：

該式中，令α1=α2，可得，即恆定張角時的毛細生長高度；當α1＞α2時，大於恆定張角時的毛細生長高度；當α1＜α2時，小於恆定張角時的毛細生長高度。

研究團隊設計了簡單的實驗來驗證毛細生長高度的增加和減少。結果表明，豎直角頂端放置水平角時，水沿著豎直梯度上升，然後填充頂部水平角。該效應使系統中升高的水體積增加了40%，並且延長水的滯留時間到兩倍。在口緣區，頭部閉合的對稱微腔結構，該效應致使比普通毛細管上升更大高度。

4

前沿應用

由本研究理論計算模型，以及相關科技和材料科學的進步，未來還可因應不同需求調整仿生人造薄膜表面的材質和結構，擴大應用層面。事實上，在此之前，哈佛大學已在《Nature》上發表了論文關於「模仿豬籠草的仿生超滑表面」，但相關研究僅停留在口沿具有液膜表現超滑的結果仿生上。而這次的發現則深入到豬籠草口沿微納結構如何影響液膜的形成。

目前，已經研發出能使液體無動力單向流動的仿生豬籠草人造薄膜，可不費力地讓水倒流，經測試這款具親水性表面薄膜的液體運輸速度6秒鐘可倒流上升約3釐米，這種無功耗的微量輸運未來可在乾旱或沙漠地區不耗能地汲取地下水、建構農業遠程運輸灌溉系統、運送水、油或其他流體，有效節約動力及能源；在醫療方面可製造點滴注射非動力遞送微藥物裝置，避免易因地心引力阻塞藥液傳輸的現況，或作為手術刀表面以防止軟組織沾黏，提高手術精準度及節省手術時間；也能應用於機械自潤滑及抗磨損、微機電系統、飛行器表面防冰等各方面。

吉林大學研究人員利用接觸角測量儀測量了其表面潤溼性能。並基於Cassie-Baxte模型，建立了豬籠草蠟質區接觸角關於微納結構參數的數學模型。此外，通過模板成形表面的摩擦試驗揭示了豬籠草表面的減摩機理，並通過螞蟻滑落試驗闡釋了豬籠草表面抗粘附規律。最後基於上述研究結果，利用雷射仿生耦合技術、陽極氧化和等離子處理製備了仿生減摩功能表面，並通過摩擦磨損試驗研究了仿生表面在不同潤滑介質下的摩擦學特性。利用雷射仿生耦合技術在4_5#鋼表面製備了七種不同間距的仿蠟質區微結構表面，隨後通過陽極氧化和等離子處理技術進行化學修飾和二級納米級結構的構建製備了具有超疏水和超親水特性的仿生表面。

北京航空航天大學的張鵬飛深入開展以豬籠草超潤滑表面為手段來解決載能微創器械表面黏著問題的研究。通過以微創器械普遍使用的不鏽鋼為基地，首次製備了具有優異耐高溫特性的超溼滑表面。

2015年廣東工業機器人及相關智能裝備產值已超500億元，未來三年，將建成3-5個各具特色的機器人產業基地。減速器佔工業機器人成本38%，中/重負荷機器人製造上，RV減速機市場90%以上依賴進口。現已將基於豬籠草內部水滴定向運輸原理的仿生微結構設計應用到RV減速器和塗步錕，成功的延長了上述關鍵國產儀器和部件的使用壽命，增強了我國工業裝備和高精尖技術的突破與自主研發和生產能力。

圖4 基於水滴逆向運輸的原理應用

（RV減速器和塗步錕）

5

未來展望

利用這些原則來製造人工系統，可用在農業滴灌、無外力的微藥物運輸等領域。現在運輸水，一般都要把水先抽到高處，然後利用重力往下走。而通過設計製造仿口緣區的結構，就可以從低處往高走。江雷院士指出，「仿生研究的最終目的在於應用。豬籠草口緣區輸運的是水，人類若想應用這種生物功能，需要運送的除了水，還可能是油，或其他液體物質的輸送」。可以相信，基於豬籠草內部液滴定向運輸原理的工程應用將會在製造、農業等國民生活重大領域綻放光彩。

參考文獻

[1] Huawei Chen, pengfei Zhang, liwen Zhang, Hongliang liu, Ying Jiang, Deyuan Zhang, Zhiwu Han & lei Jiang. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature. (2016). 532: 85-89.

[2] Emily Roediger. New approach to super slippery packaging aims to cut down on food waste. https://phys.org/news/2018-08-approach-super-slippery-packaging-aims.html.

[3] 黃鉅斌. 食肉植物豬籠草的減摩機理研究及仿生製備. 2018.

[4] Bauer U, Bohn H F, Federle W. Harmless nectar source or deadly trap: Nepenthes pitchers

are activated by rain, condensation and nectar. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 2008 275(1632): 259-265.

[5] Gorb E V, Gorb S N. Physicochemical properties of functional surfaces in pitchers of the carnivorous plant Nepenthes alata Blanco (Nepenthaceae)[J]. Plant Biology. 2006, 8(06): 841-848.

[6] Wong T S, Kang S H, Tang S K Y, et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity[J]. Nature, 2011，477(7365 ): 443.

[7] https://dp.pconline.com.cn/dphoto/list_3391296.html

文稿｜強振峰

聲明：轉載此文是出於傳遞更多信息之目的。若有來源標註錯誤或侵犯了您的合法權益，請作者持權屬證明與本網聯繫，我們將及時更正、刪除，謝謝。

來源： 中科院高能所