谁能解答壁虎为何能够飞檐走壁?
生活中,总有一些不可思议、令人震撼的场景留于心底。如《碟中谍4》中阿汤哥徒手攀爬世界第一高楼——哈利法塔,关键时候掉链子的神奇壁虎手套无疑为剧场里的惊声尖叫增加了不少分贝;再如来去自如、飞檐走壁的蜘蛛侠。
或许你会质疑说这都是电影情节,是特效带来的视觉冲击。但世界上许多生物在自然界“适者生存”及长期演化中练就了一身特殊的本领,例如壁虎、蜘蛛、蚂蚁等,它们不仅能在垂直墙壁上运动自如,而且能在天花板上停留和爬行,地球引力对它们似乎没什么影响。
尤其是体重较大的壁虎。数千年前人类就已经注意到壁虎这种超能力。它能以惊人的速度和敏捷性行走在任一角落,即使头部向下也能在树上自由上下爬行,即使在光滑的玻璃面也能来去自如。那么,到底是什么使壁虎拥有如此超强黏附力,可以飞檐走壁呢?
经过科学家们的潜心研究,发现壁虎的每个脚趾下面都有一排排“衬垫”,每个“衬垫”上有成千上万的刚毛,每根刚毛的顶端又分散几百个毛茸茸的“小刷子”。这些“小刷子”形成了非常大的吸附力,使得壁虎每走一步,如同把脚像贴纸一样从墙上撕下来,然后黏到别处。这些细小的刚毛所利用的正是范德华力。
范德华力是分子间作用力,又称范德瓦尔斯力(van der Waals force)。是存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力。
“范德华力”这个概念在1873年由约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯首次提出,随后科学界就用他的名字来命名这样的分子间作用力。
范德华(1837年-1923年),荷兰物理学家。他出生于一个普通的工人家庭,父亲是一名木匠。范德华是十个孩子中的老大,十五岁时完成学业。1856年—1861年,他考取教师执照,成为一名小学老师,并晋升为教务主任;1862年,他开始参加数学、物理学和天文学的讲座;1865年,他被聘请为在Deventer的哈佛商学院的物理教师; 1866年,他在海牙也获得这样的职位,他在那里就读的大学足以使莱顿范德华更加容易衔接之前所学的课程;1873年,他发表了关于Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand(是指连续性的气体和液体状态)的论文。这是一项在物理学中非常具有标志性的一篇论文,受到了广度的认可。
范德华的主要兴趣在热力学。他以题为《论气态和液态的连续性》的论文获得了博士学位。在这篇论文中,他提出了自己的连续性思想。他认为,尽管人们在确定压强时除了考虑分子的运动外,还要考虑其他因素,但是在物质的气态和液态之间并没有本质区别,需要考虑的一个重要因素是分子之间的吸引力和这些分子所占的体积,而这两点在理想气体中都被忽略了。从以上考虑出发,他得出了非理想气体的状态方程,即著名的范德瓦耳斯方程。相对于其他实验工作者提出的模型和状态方程,范德瓦耳斯方程是最有用的,受到了广泛的重视和应用。
后来他还发现了对应定律和范德华半径。因为这一系列伟大的成就,范德华获得了无数的荣誉和声望。他是爱尔兰皇家科学院、美国哲学学会会员、法兰西学院、柏林皇家科学院的会员,以及比利时皇家科学院的准会员和外国化学伦敦学会会员,从 1896年直到1912年,他还担任荷兰皇家艺术与科学学会的秘书。他被授予剑桥大学的博士学位,也是1910年诺贝尔物理学奖的获得者。
范德华力实质来说是一种电性的吸引力。根据作用分子的类型,范德华力还可以细分为三种作用力:诱导力、色散力和取向力。
范德华力的存在能带来什么影响呢?范德华力对于物质的化学性质影响不大,它主要影响的是物理性质,如熔点、沸点、溶解度等。对于组成和结构相似的分子,其相对分子质量越大,范德华力越大,物质的熔点、沸点越高;溶质分子与溶剂分子间的范德华力越大,则溶质分子的溶解度越大。
作为一种分子间普遍存在的作用力,范德华力的发现对于研究物质的性质具有非常重要的意义。安德烈从壁虎的脚掌得到灵感,研制了一种仿生胶带,以超微小的毛状结构产生黏性。安德烈粘出了石墨烯。或许某一天,人类借助某种工具也可实现飞檐走壁。