學術雜談：跳上Nature封面的水黽(二) “水上漂”之謎

水黽被譽為“池塘中的溜冰者”，它能夠在水面上如溜冰運動員一樣優雅地滑行。下面這張你應該眼熟吧，趙宏博、申雪。

From：百度百科

說起滑冰，并不怎么關注體育賽事的小強強個人非常喜歡的一個賽事是花樣滑冰世錦賽。2007年趙宏博和申雪兩位浪漫演繹《沉思》，曲子出自法國作曲家馬斯涅，歷來被作為最為優美的小提琴曲之一。知道為什么對這首曲子印象這么深刻嗎？依稀記得，某年看過這樣一個新聞。

From：南方網

2007年世錦賽自由滑比賽結束后，趙宏博浪漫地單膝跪地向申雪求婚，成就這對花樣滑冰伉儷的美好姻緣。

From：新華網

說起賽場求婚，那是每年都有啊。何姿奪得里約奧運會女子單人3米板銀牌的頒獎儀式之后，秦凱向其求婚。據說是里約奧運會第三對求婚的。好奇看官請自行核實。

From：新浪體育

當然了，今天咱們不談體育，不談愛情；只談水黽，只談科學。水黽被譽為“池塘里的溜冰者”，可是有些地方卻比溜冰者厲害，比如他就不會把水面劃破，而溜冰者所過之處，那是“傷痕累累”啊。冰寶寶好委屈，但是他沒法說。

科學家很早就注意到了水黽的“水上漂”絕技，對其的認識大致分為三個階段。請看下圖：

From：小強強

世紀之交之時（論文時間是1998和2001），有科學家認為，水黽依靠表面曲率所產生的波紋的表面張力來支撐身體，并利用身體中間那對疏水的腿，像漿一樣來使自己這個“小船”向前滑動。

到了2003年，MIT的Bush教授（胡立德為第一作者）課題組發現，雖然產生了細微的波紋，但是它們不是最主要的推動力。昆蟲在水面行走的真正原因，是利用其三對多毛的長足，在水中制造出螺旋狀旋渦，借助旋渦的推動力向前行走的。這一成果當時被選為Nature封面。

From：Nature

2004年，江雷先生（高雪峰為第一作者）課題組深入到水黽腿的本質，從根本上揭示了水黽“水上漂”的奧秘。

需要說明的一點是，江雷先生并沒用推翻2003年的Nature封面，只是從根本上揭示了，研究的更細了，往下走的更遠了。江雷先生在論文中從來沒有說過自己推翻了那個封面，他推翻的只是“以前，這種特殊的性能被歸結為水黽腿上還有疏水的特殊蠟質”，但是很多媒體可能出于宣傳的需要，大肆宣揚，這是很不負責任的。我還看到過一個中學生做的網頁，明顯被誤導了。

我們本篇的主角就是江雷先生的這篇brief communication。

From：Gao X F, Jiang L. Nature, 2004, 432, 36

你看，論文里只有一個圖，這一定得好好講講了。下面將這幅圖拆開，詳細介紹下。

From：Gao X F, Jiang L. Nature, 2004, 432, 36

上圖為水黽的腿刺穿水面前能產生的最大水渦，坑深4.38±0.02mm。水黽的多毛腿一次能夠在水面上劃出4mm長的波紋，能排開300倍于其身體體積的水量，阿基米德告訴我們，浮力等于排開液體的重力，這種浮力為152達因（1達因＝10-5牛頓），讓水黽一條腿可以在水面上支撐起15倍于身體的重量。正是這種超強的負載能力使得水黽在水面上行動自如，即使在狂風暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒。

From：Gao X F, Jiang L. Nature, 2004, 432, 36

水黽多毛腿，究竟怎么個多法？水黽腿部有數千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。人的頭發直徑約90μm，而水黽的剛毛直徑不到3μm。大部分剛毛長50μm左右，直徑根部的幾個微米漸變至尖部的幾百納米，定向地排列與腿表面成約20°角。

From：Gao X F, Jiang L. Nature, 2004, 432, 36

剛毛表面形成螺旋狀的納米溝槽結構。根據Cassie定理，這種微結構可以被看作是固-氣組成的異相界面。空氣被有效地吸附在這些定向取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙中，在其表面形成一層穩定的氣墊，阻礙了水滴的浸潤，從而讓水黽能夠“水上漂”。

以上這些只是告訴你了水黽腿長啥樣，可是并不能證明這種微納結構就是水黽“水上漂”的--內功心法啊。想證明倒也簡單，我做一個腿，腿上沒有這些納微結構就好了唄。還記得當時和一個小伙伴談起這個事情，他脫口而出，說“對的，找一組水黽，腿上毛全剃了就好”。你心是有多狠，心是有多狠，是有多狠，有多狠，多狠，狠。江雷先生，高雪峰博士（寫文章的時候是博士），人家那腦子，那多好使啊，他們就尋思著自己做一個人工腿，再抹上疏水的“蠟質”。

他們這么想，也這么做了。

看吧，首先疏水性就不行，超疏水材料的接觸角要求是＞150°，水黽天生的腿完全能達到，可是這條人造水黽就不行嘍。江先生用的水黽是從北京池塘里“請回”實驗室的，體長約15mm，體重約10達因（1達因＝10-5牛頓）。自然的水黽，不光能站在水面上，還能跳，即使狂風暴雨也能應付；而人造的水黽，站在水面上是沒有問題的，在水面上快速滑動或飛奔就不行了，更別提蹦了，它都不會蹦。2015年，有科學家做出了會蹦的水黽機器人，以后再說撒。

看官應該心里有些許疑惑，作者的實驗裝置到底是怎樣的呢？小強強來告訴你好了，首先把水黽的一條腿固定在高靈敏天平的懸臂上，下邊是一個裝水的容器。將容器緩慢向上移動（速度0.01mm/s）。為什么要這么慢？我問你，小時候那個實驗，盆里裝上水，往水面上輕輕平放一枚繡花針，針穩穩的停在水面上；如果你往下丟，撲通，它就沉底了。然后呢系統會自動記錄坐標曲線單腿疏水力-容器向上移動距離。

From：Gao X F, Jiang L. Nature, 2004, 432, 36

上圖是天然（左）和人工（右）的單腿疏水力-容器向上移動距離的坐標系，從圖中可以看出：1，天然材料光滑的多，人工的，我就呵呵了。2，兩個縱坐標讀數都是負值，說明是疏水的；至于人工的為什么還有一段正值，你去問它好了，作者沒說，小強強也不敢妄自揣度。3，天然的最低點為152達因，人工的為19.05達因，天然完虐人工。
其實，江先生他們做實驗的時候，在旁邊放了一個攝像機，通過顯微鏡一秒拍一張照片。貼出來，給大家感受一下下下下。e那張圖就是正文中的插圖之一，就是即將弄破水面之前的那個點。

From：Gao X F, Jiang L. Nature, 2004, 432, 36

參考文獻：
1. Dickinson M. Animal locomotion: How to walk on water[J]. Nature, 2003, 424(6949):621-2.
2. Gao X, Jiang L. Water-repellent legs of water striders[J]. Nature, 2004, 432(7013).
3. 江雷 馮琳. 仿生智能納米界面材料[M]. 化學工業出版社, 2007.
4. 江雷. 仿生智能納米材料[M]. 科學出版社, 2015.

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