自清潔整理

    荷葉是自然界中典型的具有自清潔現象的植物，落在荷葉上的水滴會形成水珠在表面自由的滾動并帶走灰塵等臟東西。通過深入分析發現，荷葉表面多尺度結構和表皮生物蠟的存在是引起荷葉表面“自清潔”的原因，荷葉擁有的這種性能被稱為“超疏水性能”。

    即使在荷葉上澆上污水，也不會在葉子上留下污痕。這種“自清潔”能力的表面，在人們搞明白了“出淤泥而不染”的原因之后，通過應用納米技術就可以實現了。

為什么有的葉子上的水珠是球形，可以滾來滾去，有的葉子上卻很扁，乖乖的呆在一個地方不動呢？

    一滴水在固體表面上，整個圖中有三個界面。紅色的是固體和水的界面，藍色的是固體和空氣的界面，黑色的是水和空氣的界面。黑色的的那個界面是彎曲的，如果我們從紅色黑色和藍色交界的地方沿著黑色曲面的方向畫一條線來，就叫做那個曲線在那個點的切線。在圖中，就是綠色的那條線。紅線和綠線之間有個夾角，我們把它叫作“接觸角”。

    如果接觸角很大，是什么樣子呢？

    當接觸角很大的時候，水珠就呈現球形，水和葉子接觸的地方（相當于上面這幅圖中的紅線）非常小，水不會再一個地方呆著，整個水珠可以滾來滾去。

    如果接觸角很小，又會是什么樣子呢？

    這就是一般的葉子上水珠的形狀。扁扁的，水和葉面的邊界很大（就是紅線很長）。接觸角很小，水珠也不能隨便移動。進一步想，如果接觸角非常小，比如說是零度了，會是什么情況呢？沒錯，沒有藍色的線了，所有的固體都被水給占了。日常生活中，如果我們的碗或者玻璃不太干凈，比如說有油，那么就觸角就會比較大，我們就能看到水珠。如果用洗滌靈把它們洗得很干凈，放滴水上去，水就立刻鋪開，看不到水珠了。

    接觸角物理原因有點抽象。我們需要從表面能的概念出發來理解：增加任何兩種物質的界面，都需要一定的能量，這個量在數值上等于這兩種物質構成的界面的界面張力。我們比較熟知的表面張力是空氣和水的界面張力。其實不僅是空氣和液體之間，空氣和固體，液體和固體之間也存在著界面張力。再看看上面的圖，一滴水放在固體表面制造了三種界面：黑色的空氣和水的表面，紅色的水和固體的界面，還有藍色的空氣和固體的界面。把各自的界面張力乘以界面面積，加起來就得到了整個體系的界面能。

    具體的數學推導就不作了，我們來考慮兩種極端情況。如果氣固界面張力很大而液固界面張力很小，顯然大自然傾向于把水滴完全鋪開，（誰都喜歡干省力氣的活），這就是洗干凈的普通玻璃的情況。相反，如果液固界面張力很大而氣固界面張力很小，大自然很傾向于讓空氣與固體接觸而讓液體一邊呆著，這就是荷葉或者羽毛的情況。而中間的情況，氣固和液固兩個界面張力誰也沒能一統天下，接觸角就是雙方妥協劃分勢力范圍的結果。其背后的決定因素還是大自然喜歡省力氣，即整個體系的表面能最低。在具體劃分的時候，空氣和液體之間的表面張力也會跳出來插一杠子，所以接觸角是由固體、液體、氣體三方相互之間的界面張力來決定的。

    如果我們不想讓水留在固體表面，就要增大接觸角。比如說，水在一般的布上接觸角很小，

水到了上面就把布打濕了。但是用布來做雨傘的時候，我們把一些特殊的物質涂在布上，這樣布的接觸角就變得很大，就不會被雨水打濕了。