作者：刘建林 日期：2016-06-29 09:19:29
iphone7手机防水是如何做到的呢？在日常生活中，我们经常会对这些司空见惯的现象产生疑问：一根钢针为何能够浮
在水面上？荷花叶子为何能够出淤泥而不染？往盛满水的杯口继续加水而水为何不溢出？雨后蜘蛛网上为何留下一串串晶莹的水珠？蝉为何可以在雨中自如地飞行而不怕淋湿翅膀？蚂蚁为何会自行聚团从而安然度过洪灾？所有这些有趣而奇特的现象是如何发生的？又是如何启发人类“向自然学习”而进行仿生设计的？这些新奇的现象都是与毛细和浸润现象息息相关的，它们都涉及到一个关键词，即液体的表面张力。
从日常生活到自然界，再到工农业生产，毛细现象和表面浸润行为真可谓无处不在。通过深入研究而揭示表面张力的作用机制对于我们理解和把握这些浸润现象至关重要，这可以为新型结构和材料的仿生设计奠定理论基础。实际上，自然界中各种各样的毛细和浸润现象启发了人类的灵感，使我们通过“向自然学习”，进而可以仿生、制造出很多新产品，从而产生了表面仿生学这一前沿交叉学科。通过研究毛细和浸润现象，我们可以恰当地配置农药和涂料、合理地进行矿物浮选、制备不沾水和不沾油的材料、研制微小的船舶、合理设计微机电系统的构件、通过表面活性剂进行化学驱油等。
本书的一个重要特点是摒弃了复杂的数学公式和方程描述，通篇只采用了几个必要的简单公式以辅助读者进行理解，其目的是为了通过通俗易懂的语言阐明相对复杂的物理现象的机理。因此，我们相信具有高中以上文化程度的读者均可以毫无障碍地阅读本书。此外，本书也可作为有志于研究固体力学、物理学、仿生学、微纳米材料等领域的研究人员的研究素材。
作者简介：
刘建林，男，1977年生于青岛。2008年1月于清华大学航天航空学院获得博士学位，现任中国石油大学（华东）工程力学系教授、博士生导师。主要研究内容包括表界面力学、仿生力学、软物质力学等。已发表的学术论文被SCI收录40余篇。
目录：
第1章神奇的毛细和浸润
1.1表面浸润现象
1.2表面张力——绷在液体表面的薄膜力
1.3曲率
1.4光滑表面上的接触角
1.5毛细现象
1.6有趣的尺寸效应
1.7粗糙固体表面上的接触角
第2章植物隐藏的魔力
2.1莲花效应
2.2亲水基底上产生超疏水状态的秘密
2.3参天大树能够长多高
第3章成功驾驭毛细力的智慧小动物
3.1池塘里的溜冰者——水黾
3.2水面承载能力最强的昆虫——蚊子第1章神奇的毛细和浸润
1.1表面浸润现象
1.2表面张力——绷在液体表面的薄膜力
1.3曲率
1.4光滑表面上的接触角
1.5毛细现象
1.6有趣的尺寸效应
1.7粗糙固体表面上的接触角
第2章植物隐藏的魔力
2.1莲花效应
2.2亲水基底上产生超疏水状态的秘密
2.3参天大树能够长多高
第3章成功驾驭毛细力的智慧小动物
3.1池塘里的溜冰者——水黾
3.2水面承载能力最强的昆虫——蚊子
3.3轻松翻越弯液面的小虫子
3.4蚂蚁救生筏
3.5毛细棘轮效应——水鸟喙的摄食
3.6神奇的沙漠集水本领——纳米比亚沙漠甲虫
3.7泥浆吸水——德克萨斯角蜥
3.8蜘蛛网截雾取水
第4章毛细力驱动的自组装
4.1MEMS中的毛细粘附现象
4.2鬼斧神工的碳纳米管自组装形貌
4.2浑然天成的多级结构
4.2.1壁虎的脚
4.2.2贝壳的多级结构
4.2.3多级毛细粘附结构
4.3液面上互相吸引和排斥的微小物体
第5章基于毛细效应的传感装置
5.1悬臂梁传感器
5.2液滴-微梁传感器
5.3薄膜在液滴作用下的大变形
5.4薄膜的毛细屈曲和褶皱
第6章驱动液滴运动的司机
6.1液滴在液体界面上的定向运动
6.2液滴在固体表面上定向运动
第7章不可思议的液珠弹珠
7.1液滴弹簧
7.2液体弹珠
7.3液体弹珠的有趣应用
第8章界面张力在三次采油中的作用
8.1石油概述
8.2二次采油之后剩余油的成因
8.3三次采油中毛细力的作用
附录
附录1托马斯-杨之力学贡献
附录2麦克斯韦对应用力学的贡献
附录3细长杆弹性线模型的发展历史
附录4表面浸润的机制：最小作用量原理简介
前言前言 前言
在日常生活中，我们是否经常观察到以下现象：一根密度大于水的钢针为何能够浮在水面上？盛水杯子的杯壁与水平面为何不是直接垂直，而存在一个弧形的过渡弯液面？往盛满水的杯口继续加水而水为何不溢出？下雨过后蜘蛛网上为何留下一串串晶莹的水珠？下雨时雨滴为何容易粘在车窗上而不容易滚下来？荷花和芋头的叶子为何能够不沾水，并且能够出淤泥而不染？树林中的蝉为何在下雨天可以自如地飞行而不怕淋湿翅膀？水黾和水蜘蛛等小动物为何能够在水面上自由地行走、跑跳？蚊子为何能够在水面产卵而不被水粘住？洪水发生时，蚂蚁为何会自行聚团从而安然度过洪灾？你可知道，所有的这些新奇的现象都与毛细和浸润现象息息相关的，都涉及到一个关键词，即液体的表面张力。表面张力是如何产生的呢？简单来说，液体与空气接触的表面（或称界面）与液体内部的结构不尽相同，这个表面层就像一层薄膜一样绷在液体上面，从而产生了使表面积趋于最小的表面张力。当物体的尺寸缩小到一定程度时，它所受到的重力等体积力与表面张力相比微不足道，此时表面张力的影响就会凸显出来。在这种尺度下，表面张力往往以很微弱的作用就能够引发很多奇特的物理现象，其特性有别于传统的力，因而我们常常称其为“非经典力”。从日常生活到自然界，再到工农业生产，毛细现象和表面浸润行为可谓无处不在。研究揭示表面张力的作用机制对于我们深刻理解这些浸润现象至关重要，可以为后续的仿生设计奠定理论基础。自然界中的各种毛细和浸润现象启发了人类的灵感，使我们通过“向自然学习”，进而可以仿生、制造出很多新产品，从而产生了表面仿生学这一前沿交叉学科。通过研究毛细和浸润现象，我们可以恰当地配置农药和涂料、进行矿物浮选、制备不沾水不沾油的材料、研制微小船舶、合理设计微机电系统、通过表面活性剂进行化学驱油等。本书的一个重要特点是摒弃了复杂的数学公式和方程描述，通篇只采用了几个必要的简单公式以辅助理解，其目的是为了通过通俗易懂的语言阐明相对复杂的物理现象机理。因此，我们相信具有中学以上文化程度的读者均可以豪无障碍地阅读本书。此外，本书也可作为有志于研究固体力学、仿生学、微纳米材料等领域的研究人员的研究素材。由于水平所限，文中错误之处在此难免，希望读者不吝批评指正。在撰写过程中，研究生孙静、左平成、曹高峰、李善鹏、龚宇龙等进行了相关材料收集工作，特此致谢。3.3轻松翻越弯液面的小虫子除了水黾、水蜘蛛和蚊子外，还有其他一些小动物也常年生活在水中。这些小动物不光是需要在水上漂浮、运动，还需要定期从事到岸上去捕捉食物和到水中去产卵等活动，这就使得它们需要不断地往返水中和河岸之间。但是正如前文中所提到的，在河岸的壁面与水平面之间往往存在一个弯液面。尽管这个弯液面在我们看起来很小，但是对于这些想爬到岸上去的小动物而言是一个很难克服的天然障碍。长期以来，这些小动物却练就了一些神奇的本领，能够很自然地翻越弯液面。如图3-14（a）所示，为一长有六条腿的小昆虫在水面上，它试图翻越这个弯液面。因此它在运动过程中通过两条前腿往上拉，两条后腿往后蹬水面，从而给身体一个整体往前的合力，就能够爬到河岸上去。而图3-14（b）中的虫子却比较“懒惰”，因为它没有腿可以进行攀登水面，所以就借助于另外的方式翻越弯液面。仔细观察，发现（a）图中小昆虫的身体分为几节，但是每段身体都接近于刚性，不能自由地变形，所以就靠着腿部的作用力而爬上河岸。而（b）图中的小虫子的身体是柔软的，所以它仅仅通过合理地调整身体的姿态就能够很轻松地翻越这个弯液面。在它调整身体姿态的过程中，造成了身体前后两个部分所承受的液体表面张力的分量大小不一样——前方的力较大，后面的较小；故而根据牛顿定律可以知道，它能够克服自身的重力而产生向前的加速度，最终爬上河岸。这说明后这两种小动物都具备了不一般的智慧，它们已经学会了合理利用表面张力来达到自己翻越弯液面的目的。3.4蚂蚁救生筏刚才讲的弯液面往往都是静止的，而发生洪灾时，面对滔滔的浪水，生命显得多么渺小。这个时候人们可以跑到树上去，甚至可以坐在小船里面，最后静等洪水褪去。如图3-15所示的情形，为发生大洪水时，传说中的诺亚方舟在电闪雷鸣之中，在无边的洪水中飘摇不定的情形。相比于人类而言，蚂蚁更加渺小。在洪水中，一个很小的浪头打来，就可以让它粉身碎骨，然后瞬间就吞噬掉它的尸体。即便不是在洪水中，我们都知道，一只蚂蚁是很害怕水的；当蚂蚁落到一盆子水中时，往往很难单独逃生。但是发生洪灾时，我们经常看到蚂蚁会抱成一团（如图3-16所示）。这是因为当它们抱成一团时，就像一艘小船一样，其整体的抵抗洪水的能力得到大大提高，从而可以安全地度过洪灾。例如红火蚁就具备这种超凡的本领。它们原产于南美，如今活跃在美国的南部地区。当洪水来袭时，这一群火蚁的成员们就利用手足、口器和腿部的毛将身体连接起来，环环相扣，从而就形成了一个防水的“救生筏”，可以在水面上长时间漂浮。一个成员多达20万个的蚁群甚至可形成宽达半米的筏子。这群蚂蚁通常能够借助其体毛形成的一层空气膜以增强浮力，形成所谓的Cassie-Baxter浸润状态，从而确保每一个成员都能幸存下来。当然，蚁筏里面的每一只蚂蚁都是可以动态移动位置的。当一群蚂蚁浮在水里时，位于蚁团最上方的蚂蚁会设法逃离蚁团。然而，当它们到达边缘却找不到“陆地”时，蚂蚁就会掉头重新爬向中心。当它们意识到已经到达蚁群的边缘时，已经有其他蚂蚁爬到了它上面，迫使它成为漂浮物的底层组成部分。另外，当上层的蚂蚁因为遭遇杂物撞击、捕食者侵袭或急流席卷而丧生时，下层的蚂蚁在群体意识的感召下便会迅速移至上层，以保证筏子的完整性。科学家认为，对这种蚂蚁的群体行为进行研究，将为研制微型机器人和改良材料的防水性能等领域带来新启发。4.2.1壁虎的脚关于多级结构的应用，其中一个非常有意思的例子就是壁虎那神奇的攀墙能力。自然界几十亿年的进化与“适者生存”的法则造就了壁虎等生物在各种表面上运动的能力，这种能力远远超越了人们的能力与想象。壁虎不仅能在垂直的墙壁上自如地跑步，而且能在天花板上停留和爬行——就好像他们自身的重力对运动过程没什么影响似的。多年以来，人们对壁虎这种飞檐走壁的能力一直众说纷纭，尤其是体重较大的壁虎也能在墙上运动更是令人费解。实际上，数千年以前人类就已经注意到壁虎这种超能力。例如古希腊百科全书式的大学者亚里士多德（Aristotle,384–322年）曾在《动物自然科学史》中记载：“壁虎即使头部向下也能在树上自由上下爬行”。人们对壁虎这种超强的能力羡慕不已，总是梦想着拥有类似的本领——2002年放映的好莱坞大片《蜘蛛侠》中男主角那身轻如燕的爬墙术就反映了这种向往。壁虎能够在墙上飞速奔跑的主要原因，还是在于它们的脚掌具有神奇的结构。长期以来，很多人都确信它们的脚部有个吸盘，从而能够牢固地粘在墙上。事实上，这种臆测完全没有科学道理。科学家们对一种叫做大守宫的壁虎进行了研究。这是亚洲体型最大的一种壁虎，体长可达30至40厘米，重达200至300克。用肉眼就能观察到它柔软的足垫上呈现出一条条弧状褶皱，长度约为1–2毫米。把大守宫的脚掌放在电子显微镜下仔细观察，发现壁虎的脚掌具有多级、多纤维状表面的结构。实际上，如图4-10所示，壁虎的每个脚趾上生有数百万根细小的刚毛，每根刚毛的长度约为30–130微米；刚毛的直径为几个微米，这个尺寸大约是人类头发直径的十分之一。刚毛的末端又分叉形成了数百根更为细小的铲状绒毛(大约有几百根)，每根绒毛的长度及宽度方向的尺寸约为200纳米，厚度约为5纳米。科学家们已经通过实验证明，壁虎这种超强的黏附力主要来源于脚掌上的大量刚毛与物体表面的分子间作用力，即范德华力。范德华力是中性分子的距离很近时产生的一种微弱电磁力；由于壁虎的脚部分布着无数细小的刚毛以及更小的显微结构，这就组成了一种多级结构，从而产生大量的范德华力，这些力的叠加就足以支撑壁虎的体重。然而，关于壁虎还有一些更为令人惊讶的事情。例如，壁虎在日常生活中难免要经过布满灰尘的地带，脚掌上肯定会沾染灰尘。但是奇怪的是，壁虎的黏附力没有受到丝毫影响，不但依然非常强劲，而且能够“百花丛中过，片叶不沾身”，“动一动脚掌，不带走一颗沙粒”。壁虎脚掌下究竟隐藏着何种玄机，使得它能够使得壁虎能在沾满灰尘的墙壁上依然运动自如？科学家们通过对壁虎进行直接的实验测试，发现壁虎脚掌表面具有类似“莲花效应”的自清洁能力。尽管荷叶的表面也具有超疏水性，但是它却不具备像壁虎脚掌那样超强的粘附能力。同时，壁虎在运动过程中，还需要使脚掌快速脱离墙面，从而尽快减少粘附力，这种超强的能力是壁虎的脚掌适应自然环境的一种重要功能。揭示壁虎这种既具有自清洁能力又具有特殊粘附能力的原理，是人类进行仿生设计机器壁虎所必须攻克的关键问题。根据壁虎的这种特殊本领，我们可以仿生设计出一种名叫“壁虎带”的黏合剂，可以用在外科手术使用的夹子和缝线、登山者使用的安全装置和医用绷带、足球守门员使用的超强黏性手套等方面。我们还可以仿生设计出适合在任意表面行走的微型爬壁机器人，可以代替人类在特殊环境中完成一些不适合人类直接完成的任务。 如图4-11所示，英国科学家仿照壁虎脚掌刚毛的几何排列构造，以电子束与氧离子刻蚀相结合的方法在5微米厚的聚酰亚胺薄膜上制备了长约2微米、直径约0.5微米、间距1.6微米的高弹性聚酰亚胺纤维阵列。当施加一定预压力后，每平方厘米的面积可负重3牛顿。他们利用这样的仿壁虎带能支撑一个体重不小的“蜘蛛侠”玩具。这个玩具重约40克，手掌覆盖着仿生制造出来的壁虎带，与基底接触面积能达到0.5平方厘米，可以支撑大于100克的重量。类似地，美国科学家利用碳纳米管阵列制成了一种仿生壁虎脚。这里的碳纳米管由主体的竖直部分及端部的弯曲部分组成，分别用来仿生壁虎脚部刚毛和铲状绒毛。当碳纳米管阵列与基底接触时，弯曲部分与基底表面的线接触有效地增大了接触面积，类似于壁虎铲状绒毛与基底的接触。为了测量这种结构的黏附力，他们取4毫米4毫米面积的碳纳米管集簇与玻璃基底接触，这个样品能牢牢吊起一本重为1480克的书本（如图4-12所示）。他们发现，在碳纳米管阵列的基础上研发出的仿生壁虎脚，既能在垂直的墙壁上吸附住重物，也能够从不同角度轻松自如地取下来。如图4-13所示，美国科学家研发出了一种仿壁虎机器人，称之为“粘虫”。和壁虎类似，该机器人设计成长了四只具有粘附性的脚掌，每只脚具有四个脚趾，并且脚趾上覆盖着数百万根细小的人造刚毛——这些刚毛的直径约为0.5纳米。借助这些刚毛与物体表面间的范德华力作用，这个机器壁虎就能在墙壁上飞速爬行”。值得一提的是，“粘虫”机器壁虎从黏附的原理、运动形式及外形上都比较接近真实的壁虎。除了壁虎之外，还有很多小动物，如甲虫、苍蝇、蜘蛛等的脚掌结构在长期的自然演化过程中也具备了经过优化的微结构。它们大都能在墙壁上停留，甚至能在光滑的玻璃上站立，说明它们的角爪也具有很强的粘附力。如图4-13所示，它们的爪子尖端部分的直径介于0.2微米到5微米左右；而体格越大的动物，脚掌绒毛尖端结构越复杂。这些都进一步说明，如果要获得超强的粘附能力，脚部必须拥有复杂的多级结构，而这些生物都长成了这种结构来适应自然界。