【荷花出淤泥而不染】我们把荷叶放大了500倍，找到了它从泥里出来不染上的原因

制作：科普中国

制作：薛洋

主任：中国科学院计算机网络信息中心

单独爱莲的泥不染，清澈恬静不妖艳，中外笔直，没有藤蔓，香气远，香气清澈，郑正正纯食，但可以远远地看，但不能神圣地玩。(孔子、论语、论语、论语)。

——周敦颐

(图片来源：)

从北宋大门周敦的代表作《爱莲说》中得出的这个描述，大家应该都很熟悉。特别是其中的名句”

(图片来源：作者制作)

那你想知道莲花为什么不从泥里出来染上吗？下一位笔者将带你探索到底。

莲花的专属清洁工——荷叶

莲花不从泥里出来染上的原因是荷叶起着重要的清洁工作用。因为荷叶表面具有超强的疏水性，当荷叶遇到雨水时，不会附着在荷叶上，而是用一个小水滴凝聚成一团，迅速滚落在荷叶上，夺取荷叶表面上的泥土等灰尘，使莲花一辈子闪闪发光。

(图片来源：)

那么你一定会问，荷叶为什么有这种神奇的能力。(威廉莎士比亚、荷叶、荷叶、荷叶、荷叶、荷叶、荷叶)下一位笔者用扫描电子显微镜(Scanning，SEM)引导你进入荷叶的微观世界，看看里面隐藏着什么玄机。

荷叶上的乳突结构有超强的排水能力

如果我们利用扫描电子显微镜将荷叶放大500倍，奇迹就会出现，原本碧绿光滑的荷叶不复存在，取而代之的是表面星星排成一排的一个大致球形的疙瘩，学名油石。

(图片来源：作者拍摄)

从图右下角的比例尺可以大致看出，每个乳突体的大小在10m(微米)左右。10微米是什么概念？也就是说，我们头发丝的直径大约在40 ~ 50微米之间，所以每个乳突都比我们的头发丝细三四倍。我们的眼睛至少能看到30微米的物体，所以即使有一对慧眼，也能看清世界，绝对看不到分布在荷叶表面的乳突。(大卫亚设，《Northern Exposure》(美国电视剧)，《美丽名言》)但此时我们庆幸人类的眼睛不是显微镜，我们可以在品类西湖品尝“荷叶木槿”，品尝“荷叶木壁碧”，而不是黑色的疙瘩。(莎士比亚)。

如果你认为荷叶表面的微观世界就此结束，那么图森就毁了。(莎士比亚)。

(图片来源：作者拍摄)

看起来像珊瑚的是上面乳突扩大后的照片，这时显微镜的放大率已经达到了一万倍。油石上横竖分布着棒状结构，每根棒状的长度约为1微米，直径约为0.1微米。到目前为止，也许你可以自豪地说你已经看完了一张荷叶。

荷叶具有出色的疏水性，主要得益于表面的这种微观结构。

如果我们把各石头看作山峰，那么在石头和石头之间就会形成山谷。只是这座山峰和山谷的大小只有10微米左右。山谷里充满了空气，形成了很多相互连接的气垫，与油石形成的山峰一起支撑水滴，使水滴无法渗透到荷叶表面，结成了一个小水滴。(大卫亚设，Northern Exposure(美国电视剧)，季节名言)这时，荷叶表面有泥土、灰尘等污垢，就会粘在水滴上，沿着荷叶表面滑动。在自然界，清除这些肮脏的水源，雨水或雾凝结的水滴就足够了。

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△图片内容：荷叶表面的乳突形成的山峰和山谷，以及荷叶上的水珠和水珠上粘黏的污垢（图片来源：参考文献[3]）

荷叶上的水珠带走荷叶表面的污垢工作模型（图片来源：参考文献[3]）

蝴蝶的翅膀与荷叶有异曲同工之妙

实际上，除了荷叶拥有这种超疏水能力之外，很多生物同样拥有这种超能力，比如蝴蝶。

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有了之前关于荷叶的了解，接下来再认识蝴蝶就轻松多了。以在我国河北、四川、云南和台湾等省份广泛分布的绿带翠凤蝶为例，它因翅膀翠绿鲜艳，光彩亮丽而得名。

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而当我们利用扫描电子显微镜把翅膀放大200倍之后再来看时，可以看出它的翅膀实际上是由排列规则的鳞片组成的，鳞片的宽度大概为50微米。

（图片来源：参考文献[5]及作者制作）

进一步放大至1000倍时，可以看出每片鳞片上都分布着彼此平行的脊状结构，学名脊脉。

（图片来源：参考文献[5]及作者制作）

当放大到10000倍时，可以进一步看到平行的脊脉之间，不规则地排布着类似蜂窝状的凹坑结构，脊脉间的距离大概为1.8微米，蜂窝状凹坑的尺寸大致为0.9微米。

（图片来源：参考文献[5]及作者制作）

与荷叶的超疏水原理异曲同工，这些凹坑里面分布着大量的空气，同样形成了一个个紧密排列的气垫，和脊脉一起托举着水珠使其不能浸润蝴蝶翅膀，蝴蝶因此才能在雨中翩翩起舞。正如《还珠格格》片尾曲《雨蝶》中所唱的那样"我向你飞，雨温柔地坠"。正因为蝴蝶的翅膀不沾水，它才能感受到雨的温柔。而当把蝴蝶翅膀表面的鳞片去掉时，翅膀的超疏水性就不复存在了。

（图片来源：参考文献[5]及作者制作）

说到这里，你一定想到了另一种超级不沾水，甚至能"轻功水上漂"的生物。没错，它就是在我国江河湖泊中广泛分布的水黾（mǐn），别名水蜘蛛，水蜢子等。

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那水黾又是怎么做到能在水面健步如飞，甚至凌空跳起捕捉食物的呢？

谜底就藏在水黾的腿部。当把水黾的腿放大来看时，可见他的腿上均匀排列着长度在20微米左右的刚毛。

（图片来源：参考文献[6]及作者制作）

进一步把一根刚毛放大来看，可以看到刚毛上又分布着螺旋状的 纳米级凹坑。

（图片来源：参考文献[2]）

同样的道理，空气被有效地吸附在这些微米级刚毛和纳米级的螺旋状沟槽的缝隙内，形成一层稳定的气垫，阻碍了水对水黾腿部的浸润。

从这些生物上找灵感制成超疏水材料

大自然孕育了这些有着超能力的生物，而我们人类同样可以道法自然，利用生物仿生学，制备出仿生"神器"，来为我们的日常生活服务。比如购物网站上就有利用荷叶效应制备的衣物，可以有效的避免衣物被饮料污水等液体弄脏，即使有粘性的污物附着也可以轻松用水冲洗干净。

△（图片来源：）

△（图片来源：）

我们应该相信，随着科技的发展，仿生超疏水材料一定会越来越多的走进我们的生活。这些材料可能应用在建筑表面，从此玻璃瓷砖都能一尘不染；可能应用在汽车表面，从此我们的车子就不需要因为沾染灰尘污垢而经常冲洗；也可能会做成帽子戴在我们的头上，从此我们的脑袋就不会再进水……

参考资料：

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[3] Barthlott W, Neinhuis C. Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces[J]. Planta, 1997, 202(1): 1-8.

[4]江雷. 从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[D]., 2003.

[5]徐琳, 丁建宁, 李伯全, 等. 蝴蝶翅膀表面超微结构与浸润性机理分析[J]. 江苏大学学报 (自然科学报), 2009, 30(4): 347-351.

[6]田为军, 张兴旺, 王骥月, 等. 水黾多腿并排表面的疏水性能[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(8): 1726-1730.

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[8] Blossey R. Self-cleaning surfaces—virtual realities[J]. Nature materials, 2003, 2(5): 301.