2010年2月26日

人造节肢动物毛发实现一流防水性能

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点

工程师们不断尝试使用塑料和化学涂层来制造保持干燥的产品（或使穿着者保持干燥），但大自然很久以前就解决了防水问题。例如，荷花和旱金莲等植物的叶子，可以使水像刚打蜡的汽车上的雨水一样凝结成珠，而非洲沙漠甲虫则利用其背部的防水通道将水滴导入嘴中。

继研究人员寻求工程化仿生材料，利用荷叶和沙漠甲虫的防水或疏水特性之后，一篇新论文提出了一种相对简单的方法来模仿节肢动物毛发的疏水性。节肢动物门的一些无脊椎动物，包括昆虫、甲壳类动物和蜘蛛，具有绒毛状表面，使它们能够在水面上行走（如水黾），或捕获气泡用于水下呼吸——一种原始的水肺装置。

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佛罗里达大学的Shu-Hau Hsu和Wolfgang Sigmund在2月2日出版的《Langmuir》杂志上报告说，他们通过熔化聚丙烯片材并将其压在布满微小孔洞的模具上，创造了几乎完全疏水的表面。（疏水性是通过水滴与表面的接触程度来衡量的；在完全疏水的材料上，水会凝结成球体，最大限度地减少接触。）当模具移除后，填充孔隙的材料形成了毛发状附属物的网络[见下方显微照片]，以“Γ”形从聚丙烯片材表面升起。这种绒毛状材料类似于节肢动物（如中黾属的水黾）身上发现的覆盖着毛发的表面。

这种结构通过捕获水滴下方的气穴来限制水的接触，从而减少液体与表面之间的接触量。对于Hsu和Sigmund制造的最小的人造毛发（直径仅为0.6微米），水滴与表面的接触角大于170度。（一微米是百万分之一米。）在完全疏水的材料上，球形水滴以180度角接触表面。

Hsu和Sigmund方法的优势之一是，材料的疏水性是纯粹结构性的——也就是说，它不需要用疏水剂进行额外的化学处理。（扁平聚丙烯本身只有非常微弱的疏水性。）但作者指出，他们的毛发不是很坚固；用手指摩擦表面会使绒毛森林变平，并破坏其卓越的疏水性。