学术杂谈：跳上Nature封面的水黾(二) “水上漂”之谜

水黾被誉为“池塘中的溜冰者”，它能够在水面上如溜冰运动员一样优雅地滑行。下面这张你应该眼熟吧，赵宏博、申雪。

From：百度百科

说起滑冰，并不怎么关注体育赛事的小强强个人非常喜欢的一个赛事是花样滑冰世锦赛。2007年赵宏博和申雪两位浪漫演绎《沉思》，曲子出自法国作曲家马斯涅，历来被作为最为优美的小提琴曲之一。知道为什么对这首曲子印象这么深刻吗？依稀记得，某年看过这样一个新闻。

From：南方网

2007年世锦赛自由滑比赛结束后，赵宏博浪漫地单膝跪地向申雪求婚，成就这对花样滑冰伉俪的美好姻缘。

From：新华网

说起赛场求婚，那是每年都有啊。何姿夺得里约奥运会女子单人3米板银牌的颁奖仪式之后，秦凯向其求婚。据说是里约奥运会第三对求婚的。好奇看官请自行核实。

From：新浪体育

当然了，今天咱们不谈体育，不谈爱情；只谈水黾，只谈科学。水黾被誉为“池塘里的溜冰者”，可是有些地方却比溜冰者厉害，比如他就不会把水面划破，而溜冰者所过之处，那是“伤痕累累”啊。冰宝宝好委屈，但是他没法说。

科学家很早就注意到了水黾的“水上漂”绝技，对其的认识大致分为三个阶段。请看下图：

From：小强强

世纪之交之时（论文时间是1998和2001），有科学家认为，水黾依靠表面曲率所产生的波纹的表面张力来支撑身体，并利用身体中间那对疏水的腿，像浆一样来使自己这个“小船”向前滑动。

到了2003年，MIT的Bush教授（胡立德为第一作者）课题组发现，虽然产生了细微的波纹，但是它们不是最主要的推动力。昆虫在水面行走的真正原因，是利用其三对多毛的长足，在水中制造出螺旋状旋涡，借助旋涡的推动力向前行走的。这一成果当时被选为Nature封面。

From：Nature

2004年，江雷先生（高雪峰为第一作者）课题组深入到水黾腿的本质，从根本上揭示了水黾“水上漂”的奥秘。

需要说明的一点是，江雷先生并没用推翻2003年的Nature封面，只是从根本上揭示了，研究的更细了，往下走的更远了。江雷先生在论文中从来没有说过自己推翻了那个封面，他推翻的只是“以前，这种特殊的性能被归结为水黾腿上还有疏水的特殊蜡质”，但是很多媒体可能出于宣传的需要，大肆宣扬，这是很不负责任的。我还看到过一个中学生做的网页，明显被误导了。

我们本篇的主角就是江雷先生的这篇brief communication。

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

你看，论文里只有一个图，这一定得好好讲讲了。下面将这幅图拆开，详细介绍下。

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

上图为水黾的腿刺穿水面前能产生的最大水涡，坑深4.38±0.02mm。水黾的多毛腿一次能够在水面上划出4mm长的波纹，能排开300倍于其身体体积的水量，阿基米德告诉我们，浮力等于排开液体的重力，这种浮力为152达因（1达因＝10-5牛顿），让水黾一条腿可以在水面上支撑起15倍于身体的重量。正是这种超强的负载能力使得水黾在水面上行动自如，即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没。

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

水黾多毛腿，究竟怎么个多法？水黾腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。人的头发直径约90μm，而水黾的刚毛直径不到3μm。大部分刚毛长50μm左右，直径根部的几个微米渐变至尖部的几百纳米，定向地排列与腿表面成约20°角。

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

刚毛表面形成螺旋状的纳米沟槽结构。根据Cassie定理，这种微结构可以被看作是固-气组成的异相界面。空气被有效地吸附在这些定向取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙中，在其表面形成一层稳定的气垫，阻碍了水滴的浸润，从而让水黾能够“水上漂”。

以上这些只是告诉你了水黾腿长啥样，可是并不能证明这种微纳结构就是水黾“水上漂”的--内功心法啊。想证明倒也简单，我做一个腿，腿上没有这些纳微结构就好了呗。还记得当时和一个小伙伴谈起这个事情，他脱口而出，说“对的，找一组水黾，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（写文章的时候是博士），人家那脑子，那多好使啊，他们就寻思着自己做一个人工腿，再抹上疏水的“蜡质”。

他们这么想，也这么做了。

看吧，首先疏水性就不行，超疏水材料的接触角要求是＞150°，水黾天生的腿完全能达到，可是这条人造水黾就不行喽。江先生用的水黾是从北京池塘里“请回”实验室的，体长约15mm，体重约10达因（1达因＝10-5牛顿）。自然的水黾，不光能站在水面上，还能跳，即使狂风暴雨也能应付；而人造的水黾，站在水面上是没有问题的，在水面上快速滑动或飞奔就不行了，更别提蹦了，它都不会蹦。2015年，有科学家做出了会蹦的水黾机器人，以后再说撒。

看官应该心里有些许疑惑，作者的实验装置到底是怎样的呢？小强强来告诉你好了，首先把水黾的一条腿固定在高灵敏天平的悬臂上，下边是一个装水的容器。将容器缓慢向上移动（速度0.01mm/s）。为什么要这么慢？我问你，小时候那个实验，盆里装上水，往水面上轻轻平放一枚绣花针，针稳稳的停在水面上；如果你往下丢，扑通，它就沉底了。然后呢系统会自动记录坐标曲线单腿疏水力-容器向上移动距离。

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

上图是天然（左）和人工（右）的单腿疏水力-容器向上移动距离的坐标系，从图中可以看出：1，天然材料光滑的多，人工的，我就呵呵了。2，两个纵坐标读数都是负值，说明是疏水的；至于人工的为什么还有一段正值，你去问它好了，作者没说，小强强也不敢妄自揣度。3，天然的最低点为152达因，人工的为19.05达因，天然完虐人工。
其实，江先生他们做实验的时候，在旁边放了一个摄像机，通过显微镜一秒拍一张照片。贴出来，给大家感受一下下下下。e那张图就是正文中的插图之一，就是即将弄破水面之前的那个点。

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

参考文献：
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 冯琳. 仿生智能纳米界面材料[M]. 化学工业出版社, 2007.
4. 江雷. 仿生智能纳米材料[M]. 科学出版社, 2015.

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