水能往高处流：是什么“魔力”让液体克服重力？
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导读
众所周知，“人往高处走，水往低处流”。但是年少而对世界充满好奇的我们，是否在仲夏的某个夜晚，面对着满天星空，想过有没有什么办法可以让水往高处流呢？仿生领域的研究使得曾经的好奇不再是梦。研究表明沙漠甲虫、荷叶、润湿蛛丝等包含可以定向运输水的生物原型数不胜数。研究最广泛的生物原型莫过于猪笼草，经过科学家对猪笼草捕虫功能的系列探究，发现了猪笼草内部的水滴逆向搬运机理，使得水往高处流不再是梦。这些特异功能通常归功于其纳微尺度上的分级结构，运输过程中的驱动力主要是表面能梯度和拉普拉斯压力梯度。
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作者简介
强振峰，清华大学精密仪器系20级博士生，导师为王雪教授。目前主要研究方向为气体传感器系统研究。
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猪笼草宏观结构解析
猪笼草属于热带食虫植物。其拥有一个独特的吸取营养的器官-捕虫笼，捕虫笼呈圆筒形，下半部稍膨大，笼口上具有盖子，因其形状像猪笼而得名。如图1所示，翼状猪笼草叶笼主要由笼盖、唇部、蜡质区和消化区四个部分构成。笼盖覆盖在笼口的上方，主要可防止雨水进入笼中，避免雨水进入降低笼中消化液的酸性。唇部由大量的径向脊规则的排列组成，由内向外蜿蜒伸出，包裹在笼口上，其红色的颜色特征以及分泌的蜜液能吸引昆虫，而其储存液体的沟槽所形成的超润滑结构能滑落昆虫。蜡质区表面覆盖了一层白色的蜡质，具有滞留昆虫防止其逃离叶笼的功能。
图1 猪笼草形貌图
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逆向运输原理的研究及揭秘
猪笼草唇部的表面形态研究一直吸引着国内外学者的目光，如图2所示，英国剑桥大学U.Bauer对猪笼草唇部捕虫机理进行了分析，发现其唇部表面分布高度规则的微观结构，该结构由双级径向脊构成，第一级径向脊高度、跨度和形状有较大差异，而第二级径向脊由整齐的表皮细胞组成，分布比较均匀。进而产生了猪笼草唇部亲水特性，研究表明这两级径向脊增大了表面粗糙度，利用微观形貌和毛细作用力能使液体完全润湿表面。在潮湿环境下，猪笼草唇部始终被一层薄水膜所覆盖。
图2 猪笼草唇部表面微观形貌
(a)猪笼草叶笼；(b)蝴蝶吸取唇部的蜜液；(c)内边缘齿状凸起；
(d-e)双级径向脊结构；( f-h )唇部截面图；(g)消化区的消化腺；
(i)蜡质区蜡质层表面
对猪笼草内部水滴定向搬运研究做出主要贡献的当属北京航天航空大学陈华伟课题组，相关研究成果已经发表在顶级期刊《Nature》。文章报道了猪笼草唇部能单方向地搬运水滴，使水滴从叶笼内侧搬运到外侧。在搬运过程中，猪笼草捕虫笼唇部的液体能克服地心引力，沿着单一方向从低处往高处快速流动。现已成功揭露水分定向连续运输原理，并构建了定向运输模型。
研究团队的仿生对象是菲律宾特有的热带食虫植物翼状猪笼草（Nepenthes alata，又称为红猪笼草）。该猪笼草长度为10-15厘米，笼口边缘具有称为“唇部”（peristome）的拱形环状组织，从内缘至外缘的宽度约1-2公分，看似光滑的唇部表面其实有多级棱槽结构。通过扫描电镜发现，一级沟槽的宽度大约461.72士49.93μm，第二级沟槽宽度约为第一级结构的十分之一，在每条二级沟槽中连续分布鸭嘴状楔形孔阵列结构，且有着弧形外轮廓。楔形盲孔的开放角从90°下降到大约28°，开放角的变化，形成了结构梯度，使得毛细作用力发生变化，使得水滴逆向运输。因此，猪笼草唇部的液膜连续搬运机制是由其楔形盲孔实现的。
通过深入探讨猪笼草唇部的微观结构特征和液体移动机制。研究表明聚集在口缘区内边缘的水滴在几秒钟内即可移动到外部边缘，而外部边缘的小水滴不能向内部移动。如图3所示，研究团队利用原位显微观测设备（原为观测设备指的是在性能测试实验开展的同时，结合系统设备集成的扫描电镜等设备，实现实验过程中对猪笼草形貌变化的实时观测）发现水的运输被限制在单个大通道内，大通道垂直于口缘区边缘分布，而水的横向流动不超过原本沉积区的宽度。水在扩散过程中会固定在微腔内侧端的尖锐边缘，形成水针（water pinning），造成负压锁住液体，并防止水从唇部外缘向内缘运送。因此水会先沿着微腔的楔形角扩散，利用毛细现象（即液体在细管状物体内侧，因内聚力与附着力的差异，会克服地心引力而上升）使水面不断升高，然后把空气排除、并充满微腔，最后留在微腔前方。而且一个微腔还没有完全填满水时，就会开始填充重叠的相邻微腔，透过不断重覆灌满有梯度差的微腔，将水一级一级往上搬运，就能在完全不耗费能量的情况下，实现水滴从内缘到外缘的连续定向运输。并且楔形角越小，单向搬运的速度就越快。
图3 基于原位观察的猪笼草唇部表面的水滴定向运输原理
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逆向运输模型构建
在猪笼草捕虫唇部表面的微结构和液体运输机制的基础上，为了深入分析水滴定向运输机理，研究团队开展了数学分析并建立理论模型，以聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，简称PDMS）为基材，成功制造出仿生人造猪笼草唇部表面薄膜。测试发现仅亲水性的PDMS表面才能实现液体定向运输功能，且水滴在亲水性表面的接触角临界值要小于65°（以往认为疏水性和亲水性间的临界值为90°）。而人薄膜表面的亲水性越高，水的传输速度越快，最快速度可达每秒78±12毫米，且性能越持久，呈现出无动力就能定向连续运输水分由低处往高处流的现象。在这一发现的基础上，利用仿生设计制造方法，提取出猪笼草表面的典型特征结构，即弧形外轮廓和楔形孔，创新性地将斜坡曝光与二次曝光光刻技术相结合，模拟猪笼草口缘区表面结构进行了压印成形，成功复制了猪笼草口缘区的工作机制。成功设计并造出了液体单方向铺展搬运仿生表面，完善了单方向铺展搬运表面技术体系[63]。
平面上液体Young接触角θ和角落张角α满足下式，液体就可以无界生长。
此时，毛细管生长高度可由下式给出：
式中，γ为表面张力；ρ为液体密度；θ为水的接触角；g为重力常数。
自然界中往往不是简单的毛细生长（张角恒定不变），而是更加有弹性（张角是变化的）。猪笼草究竟是通过建造口缘区的特殊梯度来产生梯度。具体来说：某一微腔的张角α1比他上面的微腔的张角α2大。对于这种情况，当α1＞α2时，假设两者之差无穷小，其毛细管生长高度可由下式给出：
该式中，令α1=α2，可得，即恒定张角时的毛细生长高度；当α1＞α2时，大于恒定张角时的毛细生长高度；当α1＜α2时，小于恒定张角时的毛细生长高度。
研究团队设计了简单的实验来验证毛细生长高度的增加和减少。结果表明，竖直角顶端放置水平角时，水沿着竖直梯度上升，然后填充顶部水平角。该效应使系统中升高的水体积增加了40%，并且延长水的滞留时间到两倍。在口缘区，头部闭合的对称微腔结构，该效应致使比普通毛细管上升更大高度。
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前沿应用
由本研究理论计算模型，以及相关科技和材料科学的进步，未来还可因应不同需求调整仿生人造薄膜表面的材质和结构，扩大应用层面。事实上，在此之前，哈佛大学已在《Nature》上发表了论文关于“模仿猪笼草的仿生超滑表面”，但相关研究仅停留在口沿具有液膜表现超滑的结果仿生上。而这次的发现则深入到猪笼草口沿微纳结构如何影响液膜的形成。
目前，已经研发出能使液体无动力单向流动的仿生猪笼草人造薄膜，可不费力地让水倒流，经测试这款具亲水性表面薄膜的液体运输速度6秒钟可倒流上升约3厘米，这种无功耗的微量输运未来可在干旱或沙漠地区不耗能地汲取地下水、建构农业远程运输灌溉系统、运送水、油或其他流体，有效节约动力及能源；在医疗方面可制造点滴注射非动力递送微药物装置，避免易因地心引力阻塞药液传输的现况，或作为手术刀表面以防止软组织沾黏，提高手术精准度及节省手术时间；也能应用于机械自润滑及抗磨损、微机电系统、飞行器表面防冰等各方面。
吉林大学研究人员利用接触角测量仪测量了其表面润湿性能。并基于Cassie-Baxte模型，建立了猪笼草蜡质区接触角关于微纳结构参数的数学模型。此外，通过模板成形表面的摩擦试验揭示了猪笼草表面的减摩机理，并通过蚂蚁滑落试验阐释了猪笼草表面抗粘附规律。最后基于上述研究结果，利用激光仿生耦合技术、阳极氧化和等离子处理制备了仿生减摩功能表面，并通过摩擦磨损试验研究了仿生表面在不同润滑介质下的摩擦学特性。利用激光仿生耦合技术在4_5#钢表面制备了七种不同间距的仿蜡质区微结构表面，随后通过阳极氧化和等离子处理技术进行化学修饰和二级纳米级结构的构建制备了具有超疏水和超亲水特性的仿生表面。
北京航空航天大学的张鹏飞深入开展以猪笼草超润滑表面为手段来解决载能微创器械表面黏着问题的研究。通过以微创器械普遍使用的不锈钢为基地，首次制备了具有优异耐高温特性的超湿滑表面。
2015年广东工业机器人及相关智能装备产值已超500亿元，未来三年，将建成3-5个各具特色的机器人产业基地。减速器占工业机器人成本38%，中/重负荷机器人制造上，RV减速机市场90%以上依赖进口。现已将基于猪笼草内部水滴定向运输原理的仿生微结构设计应用到RV减速器和涂步锟，成功的延长了上述关键国产仪器和部件的使用寿命，增强了我国工业装备和高精尖技术的突破与自主研发和生产能力。
图4 基于水滴逆向运输的原理应用
（RV减速器和涂步锟）
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未来展望
利用这些原则来制造人工系统，可用在农业滴灌、无外力的微药物运输等领域。现在运输水，一般都要把水先抽到高处，然后利用重力往下走。而通过设计制造仿口缘区的结构，就可以从低处往高走。江雷院士指出，“仿生研究的最终目的在于应用。猪笼草口缘区输运的是水，人类若想应用这种生物功能，需要运送的除了水，还可能是油，或其他液体物质的输送”。可以相信，基于猪笼草内部液滴定向运输原理的工程应用将会在制造、农业等国民生活重大领域绽放光彩。
参考文献
[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] 黄钜斌. 食肉植物猪笼草的减摩机理研究及仿生制备. 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｜强振峰
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来源： 中科院高能所