读书笔记｜蜘蛛丝方向集水，话不能说的太细

《仿生智能与纳米材料》小强强读书笔记（一）

蜘蛛丝方向集水，话不能说的太细（ps: 说的太细，你就全明白了．．<{=．．．）
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雨天的蛛丝很美，有图有真相，没图别说话。

“雨，像银灰色粘湿的蛛丝，织成一片轻柔的网，网住了整个秋的世界。”这是张爱玲诗意的描述。文科生和理科生的思维模式确实有一点点不同喔：文科生发现美；理科生要搞清楚，它为什么这么美？理科生认真起来是很可怕的，这不，江雷老师一不小心，对蜘蛛丝的研究上了Nature的封面。

绝无仅有，另一个理科男，为了向女朋友表白，鼓捣出了一套水中花园，上了Science封面，迎娶白富美，走上人生巅峰！这个日后有机会再说撒。

蜘蛛丝那么直，怎么能网住一个一个的大露珠呢？这不科学，这不科学。你确定是直的？就问你敢不敢仔细看看，敢不敢用显微镜看。不看不知道，一看吓一跳。

此为环境扫描电镜图。a图为干燥条件下的蜘蛛丝，b图为puff（蓬松物）结构的放大图像。可以看出：首先，蜘蛛丝两个主要轴向纤维，沿着蛛丝蓬松结构周期性排列。蓬松结构放大图像显示，其由一系列无规排列纤丝组成。好神奇啊（膜拜的表情），嘻嘻嘻（整理一下发型）。

请收起你的膝盖、下巴，红包就不要收了。话还没说完呢，干燥状态下的蜘蛛丝身材凹凸有致，那湿润状态的蜘蛛丝又是怎样的欧巴呢？呐，给你，你个花痴（鄙视的小眼神）。

a，湿润的蜘蛛丝；b，纺锤节；c，纺锤节放大图像；d，链接结构；e，连接结构放大图像。怎么样，通过对湿润蜘蛛丝全方位多角度无死角厚脸皮的仔细观察，是不是又被蛛丝欧巴迷倒了？你个花痴（鄙视的小眼神）。哎，花痴，哎哎哎，醒醒，话还没说完呢，一会你再迷倒。我们可以看到，湿润蜘蛛丝由链接结构和纺锤节结构组成，链接结构由有序纳米纤维组成，纺锤节结构由无序纳米纤维组成。把蛛丝弄湿，蓬松物变成了纺锤节，好神奇啊，赶紧记录下来，这叫“润湿重建”。这种润湿重建是蛛丝方向集水的绝世武功的内功心法，厉害吧（整理一下发型）。

作为一个工科生，我可不相信什么内功，什么外功，我只相信科学，相信真理，相信自由，相信希望......说跑偏了，言归正传。为什么润湿重建的纺锤体结构就能提供其方向集水特性呢？没有两把刷子，小强怎么敢在这里整理发型呢？这两把刷子就是表面能梯度和拉普拉斯压力差，很高大上有没有，（整理一下发型）。

焚香沐浴，祭出第一把大杀器：Wenzel规则。

式中，r：表面粗糙度；θw：粗糙表面表观接触角，角标为什么是w，仔细看看是什么规则--Wenzel规则；θ：平滑表面固有接触角。Wenzel规则告诉我们，相比于链接结构，纺锤节粗糙度更大，因此水接触角更小，即更亲水，表观表面能更高。蛛丝上的表面能梯度力可用下式表示：

式中，F：表面能梯度力；r：水的表面张力；θA：advancing angle，蛛丝上水滴的前进角；θR：receding angle，蛛丝上水滴的后退角；dl：从链接结构（joint，Lj）到纺锤体（spindle-knot，Lk）的长度积分变量。

综上可知，粗糙度差异产生表面能梯度，表面能梯度力驱动蛛丝上小水滴从链接结构（弱亲水）到纺锤体移动（高亲水）。一言以蔽之，蛛丝上的水滴比较现实，谁亲他，他跟谁走。

焚香沐浴，祭出第二把大杀器：拉普拉斯压力差。

式中，ΔP：拉普拉斯压力差；r1：链接结构的直径；r2：纺锤节的直径；R0：坠落半径，即坠落水滴的半径，

β：纺锤体顶角的一半；dz：纺锤体半径的积分变量。

由于r1＜r2，则ΔP大于0，即链接结构的拉普拉斯压力要大于纺锤节的拉普拉斯压力。拉普拉斯压力差驱动小水滴从链接结构向纺锤节移动。一言以蔽之，拉普拉斯压力差来源于其几何外形，谁胳膊粗跟谁走。

焚香沐浴，虔心祷告，我们的诚意打动了两个杀器，他们告诉我们：蛛丝的定向集水有两个原因----表面能梯度和拉普拉斯压力差，表面能梯度力来源于蛛丝亲疏水性质的差异，拉普拉斯压力差来源于蛛丝的几何外形。整理一下发型，阿门！

《建宁府建阳县长滩社仓记》：“蒙惠者虽知其然，而未必知其所以然也。”先人教导我们，不止要知其然，更要知其所以然。通过小强夜观天象，大家现在不光了解了蜘蛛丝的方向集水，还了解了为什么会方向集水。话不能说的太细，说的太细，你就明白了！！！

《荀子》曰：“知之而不行，虽敦必困。”也就是告诫我们要学以致用，我们既然知道了蛛丝的小秘密，就要把其有限的原理投入到无限的为人民外围是什么意思 中去。下回分解。

参考文献：

1. 《仿生智能纳米材料》江雷，2015版；

2. Nature：Directional water collection on wetted spider silk