莲为何出淤泥而不染

　　盛夏时节正是荷花开得最美的时 候。在红花绿叶的点缀下，夏日仿佛多了一丝凉意。每当提到荷花，总能想起周敦颐在《爱莲说》中写到的“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖”。自古以 来，“莲”总是被文人墨客赞誉的对象，是“高洁”的象征。可是，莲为什么可以出淤泥而不染呢？这就要讲到莲花的“自清洁”和“不沾湿”特性了。

　　荷叶效应 

　　如果留心观察莲花的叶子，你就会发现荷叶上总是干干净净的，好似不留一点灰尘。这是因 为荷叶表面的特殊结构有自我清洁的功能，即荷叶的“自清洁”特性。此外，我们经常会看到这样的场景：当水滴在荷叶上时，水并没有完全铺展开，而是以水珠的 形式停留在荷叶上，而且只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚离叶面。这就是荷叶的“不沾湿”特性。荷叶的“自清洁”和“不沾湿”特性被统称为“荷叶效应”。这一 概念最早是由德国波恩大学的植物学家巴特洛特提出的。 

　　荷叶 

　　其实，荷叶的“不沾湿”特性也被称为“超疏水”特性。那么，如何界定“超疏水”这一概 念呢？在明确“超疏水”这一概念前，我们要先了解表面化学中的一个概念——接触角。如下图所示，接触角指的是“液－固”界面的水平线与“气－液”界面切线 之间通过液体内部的夹角θ。有了这一概念，我们可以很方便地表示液体对固体的润湿情况。 

　　习惯上，当θ<90°时，我们称该液体可以润湿固体，此时，液体完全展开，覆盖固体表面。水可以润湿玻璃，在洁净的玻璃表面甚至可以完全润湿，此时 θ=0。当θ>90°时，该液体不能润湿固体，此时，液体在固体表面缩成球形。水不能润湿石蜡，因此表现出“圆球状”。当与水的接触角θ> 150°时，该固体表面具有“超疏水”特性。通俗地讲，我们可以认为这种固体表面有很强的排斥水的能力。除荷叶表面外，芋头叶、芭蕉叶、海豚和鲨鱼的表面 也都呈现出“超疏水”特性。 

　　芭蕉叶 

　　荷叶的微观结构 

　　大量的科学研究表明，结构往往决定性质。那么，你肯定会问：“荷叶的特性是否与它的结 构有关呢？”答案是肯定的。电子显微镜的发展给我们的科学研究带来了更多的可能，也使得我们能够观察到荷叶的微观结构。通过电子显微镜的成像结果，我们可 以清晰地看到荷叶表面有许多突起的“小山包”（这类结构被称为“乳突”）。这些乳突的尺寸通常在10微米左右，这些乳突的平均间距在12微米左右。而这些 乳突是由许多直径在100纳米左右的纳米蜡质晶体组成。由此可见，荷叶表面存在复杂的“微米-纳米”双重结构，正是这些结构使得荷叶产生了“超疏水”和 “自清洁”的双重特性。 

　　荷叶表面的蜡质是产生疏水性的根本原因，因为蜡质晶体本身的化学结构具有疏水性，所以当水与这类表面接触时，会形成“球状”水滴，于是，荷叶表面便有了“超 疏水”特性。荷叶表面所形成的乳突非常多，而且间隔很小，于是在乳突间会存在许多凹陷部分。这些凹陷部分充满空气，这样就在贴紧叶面的地方形成了一层非常 薄的纳米级空气层。而那些落在叶面上的灰尘、水滴的尺寸远远大于这个空气层。所以当这些物质落在叶面上时，它们只能同叶面上“小山包”的顶端形成几个点的 接触，而不能润湿到荷叶表面上。水滴在自身表面张力的作用下形成“球状”，并且在滚动中吸附灰尘等杂质，最终滚出叶面，这就是荷叶具有“自清洁”特性的原因。