滑動

我凝視著漂浮在氣候控制室水池中餐盤大小的綠葉。光線照在葉子中央像珠寶一樣的水滴上，但除此之外，它們保持著原始的狀態。我和同事安德烈斯正在參觀位于綠樹成蔭的倫敦西部邱園的實驗室，想進一步了解此刻我們面前的這種半水生植物Nelumbo nucifera。它更為人所知的名字是印度蓮花（或者簡稱蓮），是一種連像我這樣缺乏植物學知識的人也聽說過的植物。蓮花在印度教教徒和佛教徒眼中是非常神圣的，通常與純潔聯系在一起，這要歸功于它出淤泥而不染的特質。

蓮花永遠干凈的秘密就在它的表面。20世紀90年代初，德國植物學家威爾海姆·巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）教授首次對此進行了科學描述。多年來，巴斯洛特及其同事一直在使用一種叫作掃描電子顯微鏡（SEM）的成像技術來研究仙人掌、蘭花和其他亞熱帶植物。掃描電子顯微鏡的分辨率明顯高于標準光學顯微鏡，植物學家通過它發現了許多以前不為人知的結構——植物葉片上的凸起、茸毛和褶皺。植物學家開始懷疑這些結構與他們在一些物種身上觀察到的憎水行為之間是否存在聯系。通過將掃描電子顯微鏡成像與接觸角分析相結合，并觀察340種不同植物的葉片，現在巴斯洛特最終可以回答這個問題了。他發現大多數可濕潤的葉片（那些接觸角低的葉片）在顯微鏡下是光滑的，但即使用水沖洗后，它們也往往是臟的。相比之下，疏水性的葉片被蠟質晶體覆蓋，使它們在顯微鏡下看起來很粗糙。另外，它們通常也是纖塵不染的。

最令人贊嘆的是那些結合了蠟涂層和各種微結構的葉片。它們的接觸角之大，使人誤以為它們是超疏水的，但后來人們發現蓮葉是所有植物葉片中超疏水之最（θ=162°）。它獨特的層次結構——密集排列、大小不一的圓形特征，全都覆蓋著一層粗糙而堅固的蠟質晶體——為任何可能想要粘在它上面的物質提供了一個重要屏障（見圖5）。水滴無法穿透這片密集的微結構森林。它們最多只能以接近球形水滴的形式停留在頂部，幾乎不與葉子真正接觸。輕微的搖晃或者些許的傾斜就足以讓它滾動起來，而葉子上可能存在的任何灰塵都會被水滴帶走。巴斯洛特將這種不黏附、自潔的能力稱為“蓮花效應”，后來還將這一術語注冊成了商標。

圖5　這張圖展示了覆蓋在蓮葉表面的微小隆起構成的復雜圖案，圖片頂部的比例尺標記為20微米

從那時起，已經有超過9500篇關于蓮花效應的論文被發表。我自己對這一領域的貢獻非常小，而且是在我科學生涯的開始階段。當時，我的任務是研究硅片這種工程表面的潤濕特性。硅片經過精心蝕刻，產生了一系列不同的微納米級圖案，然后涂上一層聚合物。實際上，我們從蓮葉那里獲得了靈感，并想看看我們是否能夠利用表面紋理讓本來就疏水的表面變得更加疏水。因此，我們在邱園近距離地看到那些純凈的葉子時，可謂大開眼界。它提醒我們，無論我們想要實現什么樣的改進，大自然都已經搞定。最后，盡管我們對工程表面的一些結果還不太確定，但我們發現確實可以通過改變材料表面的大小和形狀來控制某種材料的防水性能。在最極端的例子中，我們看到兩個化學性質相同樣本的接觸角分別為86°和154°。它們之間的唯一區別在于其表面蝕刻的微小圖案。

蓮花效應、表面紋理、疏水性及減少沾染污物之間的相互依存關系，促進了自潔玻璃、防污織物和抗真菌涂料等技術的發展。最近一個引起我注意的項目是2020年的TresClean。該項目由歐盟資助，專注于生產用于食品行業和家用電器的超滑抗菌金屬和塑料表面。“我們正在研究已知的可以形成生物膜的真正成分。”意大利帕爾馬大學阿德里安·盧蒂（Adrian Lutey）博士在電話中告訴我。這些生物膜——細菌和真菌等黏糊糊的微生物層，在潮濕環境下可以在物體表面堆積——在自然界和工業生產中都非常普遍。它們是造成口臭和牙菌斑的原因。它們還會拖慢洗衣機的運轉速度，或者堵塞水處理廠的管道。生物膜通常從單個微生物附著在表面開始，因此從理論上講，如果你能阻止這種事發生，你就能阻止這些膜的形成。TresClean團隊研究了兩種可能對人類健康構成風險的細菌：大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。二者的幾何形狀和表面化學性質非常不同。大腸桿菌細胞呈桿狀，長達3微米，被一層薄薄的流體膜所包圍。金黃色葡萄球菌細胞是球形的，直徑小于1微米，無外膜。

然后他們觀察了這些懸浮在液體中的細菌如何與一系列不同的表面相互作用：有些未經處理，有些被打磨得如鏡子般光滑，還有一些覆蓋著通過激光照射產生的紋理。“激光是高度專業化的，”盧蒂解釋說，“它產生的超短脈沖持續時間不到萬億分之一秒，可以在金屬表面引發一些非常有趣的變化。”激光可以生成包括尖刺、支柱和平行脊在內的微觀特征。經過證明，正是最終的脊狀紋理——正式的名稱是“激光誘導周期性表面結構”（LIPSS）——在阻止細菌黏附方面最有效。通過比較未經處理的不銹鋼表面和那些帶有LIPSS圖案的不銹鋼表面，盧蒂和他的同事發現，大腸桿菌含量下降了99.8%，金黃色葡萄球菌含量下降了84.7%。我們“相當確定，LIPSS在抗大腸桿菌方面表現良好，這是因為其表面結構的尺寸。它們的體積比細菌小得多，所以可用的接觸面積減少了。這就像細菌細胞坐在一張釘床上一樣”。也許令人驚訝的是，表面的潤濕性對大腸桿菌幾乎沒有影響——在疏水性表面和親水性表面黏附的細菌數量一樣少。不過，盧蒂說他們對金黃色葡萄球菌的研究結果就沒有那么明確了。“對于為什么會觀測到這些減少，我們還沒有一個令人信服的解釋，不過鑒于金黃色葡萄球菌也不喜歡我們的超疏水尖刺，我們預測表面潤濕性和表面形態都發揮了作用。”即使仍有一些待解決的疑問，但這些結果看起來很有希望。當然，很難預測未來的發展會是怎樣的。盧蒂希望TresClean的工業合作伙伴（包括歐洲最大的家用電器制造商——博西家電）能把這項技術應用到他們的生產線上。誰知道呢，說不定會出現一種能保持自身清潔的洗碗機。

不過很可能你的廚房里已經存在一個非常有趣的溜滑表面，其中最有名的大概是聚四氟乙烯（PTFE），這本身是一個商標，而它更廣為人知的名稱是特氟龍（Teflon）。像超級膠水一樣，特氟龍是一個意外的發現，最初是化學家在試驗新制冷劑時的一個氣罐內部發現的。與傳說不同的是，這種蠟狀白色固體并不是阿波羅太空計劃的副產品。事實上，它的耐腐蝕性使它在20世紀40年代的曼哈頓計劃中得到了應用。沒錯，特氟龍對第一顆原子彈的研制起到了推動作用。又過了10年，這種材料才被應用于炊具，盡管那時它的具體配方已經發生了變化。[18]特氟龍的滑性完全來自其聚合物化學性質，而不是什么像蓮花一樣的納米突起或者精心制造的脊狀紋理。它的長分子鏈由碳骨架和圍繞它的氟原子組成，它們之間的鍵被描述為“有機化學中最強的鍵”。這也導致了特氟龍分子之間高度的黏聚力。在實際應用中，這使得特氟龍對其他分子完全沒有吸引力。或者就像史蒂文·阿博特所說的那樣，它的“碳氟團不喜歡宇宙中所有非碳氟化合物”。涂在特氟龍表面的化合物沒有機會與它發生反應，不能穿透它的結構或者與它的聚合物鏈交融。實際上，它們忽略了表面，這就是它不黏的原因。毫不意外的是，它的表面能也特別低（根據3M公司的說法是18達因/厘米），而且特氟龍對特氟龍的摩擦系數μ只有0.04。

那么，你可能想知道，這種超級不黏的材料是如何粘在其他表面上的，比如構成你煎鍋主體的鋁。多年來已經有幾種方法獲得了專利，但據我所知，它們主要分為兩類：一種是基于機械黏附的方法，首先對鋁進行噴砂或者酸浴處理，使其表面粗糙化，然后在上面噴涂一層薄薄的特氟龍基底。它不會與表面發生反應，而是被困在第一步產生的小孔和裂縫中。一旦在高溫下烘烤，特氟龍就會凝固。繼續添加并烘烤幾層特氟龍——由于它們可以相互形成化學鍵，所以它們會形成一個堅固的涂層。第二種使特氟龍粘在其他材料上的方法是對特氟龍本身進行化學處理。你可以通過用帶電粒子轟擊它，打掉它的一些氟原子，或者用一種化合物來破壞一些碳氟鍵，并用別的東西取代氟。無論哪種方式，你都會留下暴露的碳原子，而它們急于與某些東西結合。將經過處理的特氟龍壓入鋁表面或者任何數量的基底材料，這些碳原子就會被牢牢粘住。這樣一來，再烘烤一下帶有涂層的金屬就完工了。在大多數炊具上，特氟龍涂層的厚度為20～40微米，比一張復印紙還薄。由此可見，一個平平無奇的煎鍋里蘊含著眾多表面科學知識。

特氟龍已經在很多領域找到了它的用武之地，從牙科和雨具到太陽能電池板和空氣過濾器，這都要歸功于它阻止物質粘連的能力。近年來，市場上出現了摩擦力更低的材料。BAM，一種由硼、鋁、鎂和二硼化鈦制成的復合材料，其摩擦系數不到特氟龍的一半——就像一些類金剛石碳膜一樣。不過，就其成本和多功能性而言，似乎沒有一種材料能在短時間內搶走特氟龍“順滑之冠”的頭銜。

自古以來，我們對物體表面的認識一直處于不斷精進的過程中，從利用地球上的黏土來留下自己的標記，到認識到一片有自潔能力的葉片的完美。利用這些知識，我們可以制作能夠控制摩擦和操縱表面與流體之間復雜互動作用的材料。我們可以通過巧妙的設計和化學來創造、構建、連接、增強和美化物體。在我看來，表面科學無疑塑造了我們的世界。