iphone7手機防水是如何做到的呢？在日常生活中，我們經(jīng)常會對這些司空見慣的現(xiàn)象產(chǎn)生疑問：一根鋼針為何能夠浮
在水面上？荷花葉子為何能夠出淤泥而不染？往盛滿水的杯口繼續(xù)加水而水為何不溢出？雨后蜘蛛網(wǎng)上為何留下一串串晶瑩的水珠？蟬為何可以在雨中自如地飛行而不怕淋濕翅膀？螞蟻為何會自行聚團從而安然度過洪災？所有這些有趣而奇特的現(xiàn)象是如何發(fā)生的？又是如何啟發(fā)人類“向自然學習”而進行仿生設計的？這些新奇的現(xiàn)象都是與毛細和浸潤現(xiàn)象息息相關(guān)的，它們都涉及到一個關(guān)鍵詞，即液體的表面張力。
從日常生活到自然界，再到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，毛細現(xiàn)象和表面浸潤行為真可謂無處不在。通過深入研究而揭示表面張力的作用機制對于我們理解和把握這些浸潤現(xiàn)象至關(guān)重要，這可以為新型結(jié)構(gòu)和材料的仿生設計奠定理論基礎。實際上，自然界中各種各樣的毛細和浸潤現(xiàn)象啟發(fā)了人類的靈感，使我們通過“向自然學習”，進而可以仿生、制造出很多新產(chǎn)品，從而產(chǎn)生了表面仿生學這一前沿交叉學科。通過研究毛細和浸潤現(xiàn)象，我們可以恰當?shù)嘏渲棉r(nóng)藥和涂料、合理地進行礦物浮選、制備不沾水和不沾油的材料、研制微小的船舶、合理設計微機電系統(tǒng)的構(gòu)件、通過表面活性劑進行化學驅(qū)油等。
本書的一個重要特點是摒棄了復雜的數(shù)學公式和方程描述，通篇只采用了幾個必要的簡單公式以輔助讀者進行理解，其目的是為了通過通俗易懂的語言闡明相對復雜的物理現(xiàn)象的機理。因此，我們相信具有高中以上文化程度的讀者均可以毫無障礙地閱讀本書。此外，本書也可作為有志于研究固體力學、物理學、仿生學、微納米材料等領域的研究人員的研究素材。
作者簡介：
劉建林，男，1977年生于青島。2008年1月于清華大學航天航空學院獲得博士學位，現(xiàn)任中國石油大學（華東）工程力學系教授、博士生導師。主要研究內(nèi)容包括表界面力學、仿生力學、軟物質(zhì)力學等。已發(fā)表的學術(shù)論文被SCI收錄40余篇。
目錄：
第1章神奇的毛細和浸潤
1.1表面浸潤現(xiàn)象
1.2表面張力——繃在液體表面的薄膜力
1.3曲率
1.4光滑表面上的接觸角
1.5毛細現(xiàn)象
1.6有趣的尺寸效應
1.7粗糙固體表面上的接觸角
第2章植物隱藏的魔力
2.1蓮花效應
2.2親水基底上產(chǎn)生超疏水狀態(tài)的秘密
2.3參天大樹能夠長多高
第3章成功駕馭毛細力的智慧小動物
3.1池塘里的溜冰者——水黽
3.2水面承載能力最強的昆蟲——蚊子第1章神奇的毛細和浸潤
1.1表面浸潤現(xiàn)象
1.2表面張力——繃在液體表面的薄膜力
1.3曲率
1.4光滑表面上的接觸角
1.5毛細現(xiàn)象
1.6有趣的尺寸效應
1.7粗糙固體表面上的接觸角
第2章植物隱藏的魔力
2.1蓮花效應
2.2親水基底上產(chǎn)生超疏水狀態(tài)的秘密
2.3參天大樹能夠長多高
第3章成功駕馭毛細力的智慧小動物
3.1池塘里的溜冰者——水黽
3.2水面承載能力最強的昆蟲——蚊子
3.3輕松翻越彎液面的小蟲子
3.4螞蟻救生筏
3.5毛細棘輪效應——水鳥喙的攝食
3.6神奇的沙漠集水本領——納米比亞沙漠甲蟲
3.7泥漿吸水——德克薩斯角蜥
3.8蜘蛛網(wǎng)截霧取水
第4章毛細力驅(qū)動的自組裝
4.1MEMS中的毛細粘附現(xiàn)象
4.2鬼斧神工的碳納米管自組裝形貌
4.2渾然天成的多級結(jié)構(gòu)
4.2.1壁虎的腳
4.2.2貝殼的多級結(jié)構(gòu)
4.2.3多級毛細粘附結(jié)構(gòu)
4.3液面上互相吸引和排斥的微小物體
第5章基于毛細效應的傳感裝置
5.1懸臂梁傳感器
5.2液滴-微梁傳感器
5.3薄膜在液滴作用下的大變形
5.4薄膜的毛細屈曲和褶皺
第6章驅(qū)動液滴運動的司機
6.1液滴在液體界面上的定向運動
6.2液滴在固體表面上定向運動
第7章不可思議的液珠彈珠
7.1液滴彈簧
7.2液體彈珠
7.3液體彈珠的有趣應用
第8章界面張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
8.3三次采油中毛細力的作用
附錄
附錄1托馬斯-楊之力學貢獻
附錄2麥克斯韋對應用力學的貢獻
附錄3細長桿彈性線模型的發(fā)展歷史
附錄4表面浸潤的機制：最小作用量原理簡介
前言前言 前言
在日常生活中，我們是否經(jīng)常觀察到以下現(xiàn)象：一根密度大于水的鋼針為何能夠浮在水面上？盛水杯子的杯壁與水平面為何不是直接垂直，而存在一個弧形的過渡彎液面？往盛滿水的杯口繼續(xù)加水而水為何不溢出？下雨過后蜘蛛網(wǎng)上為何留下一串串晶瑩的水珠？下雨時雨滴為何容易粘在車窗上而不容易滾下來？荷花和芋頭的葉子為何能夠不沾水，并且能夠出淤泥而不染？樹林中的蟬為何在下雨天可以自如地飛行而不怕淋濕翅膀？水黽和水蜘蛛等小動物為何能夠在水面上自由地行走、跑跳？蚊子為何能夠在水面產(chǎn)卵而不被水粘��？洪水發(fā)生時，螞蟻為何會自行聚團從而安然度過洪災？你可知道，所有的這些新奇的現(xiàn)象都與毛細和浸潤現(xiàn)象息息相關(guān)的，都涉及到一個關(guān)鍵詞，即液體的表面張力。表面張力是如何產(chǎn)生的呢？簡單來說，液體與空氣接觸的表面（或稱界面）與液體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不盡相同，這個表面層就像一層薄膜一樣繃在液體上面，從而產(chǎn)生了使表面積趨于最小的表面張力。當物體的尺寸縮小到一定程度時，它所受到的重力等體積力與表面張力相比微不足道，此時表面張力的影響就會凸顯出來。在這種尺度下，表面張力往往以很微弱的作用就能夠引發(fā)很多奇特的物理現(xiàn)象，其特性有別于傳統(tǒng)的力，因而我們常常稱其為“非經(jīng)典力”。從日常生活到自然界，再到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，毛細現(xiàn)象和表面浸潤行為可謂無處不在。研究揭示表面張力的作用機制對于我們深刻理解這些浸潤現(xiàn)象至關(guān)重要，可以為后續(xù)的仿生設計奠定理論基礎。自然界中的各種毛細和浸潤現(xiàn)象啟發(fā)了人類的靈感，使我們通過“向自然學習”，進而可以仿生、制造出很多新產(chǎn)品，從而產(chǎn)生了表面仿生學這一前沿交叉學科。通過研究毛細和浸潤現(xiàn)象，我們可以恰當?shù)嘏渲棉r(nóng)藥和涂料、進行礦物浮選、制備不沾水不沾油的材料、研制微小船舶、合理設計微機電系統(tǒng)、通過表面活性劑進行化學驅(qū)油等。本書的一個重要特點是摒棄了復雜的數(shù)學公式和方程描述，通篇只采用了幾個必要的簡單公式以輔助理解，其目的是為了通過通俗易懂的語言闡明相對復雜的物理現(xiàn)象機理。因此，我們相信具有中學以上文化程度的讀者均可以豪無障礙地閱讀本書。此外，本書也可作為有志于研究固體力學、仿生學、微納米材料等領域的研究人員的研究素材。由于水平所限，文中錯誤之處在此難免，希望讀者不吝批評指正。在撰寫過程中，研究生孫靜、左平成、曹高峰、李善鵬、龔宇龍等進行了相關(guān)材料收集工作，特此致謝。3.3輕松翻越彎液面的小蟲子除了水黽、水蜘蛛和蚊子外，還有其他一些小動物也常年生活在水中。這些小動物不光是需要在水上漂浮、運動，還需要定期從事到岸上去捕捉食物和到水中去產(chǎn)卵等活動，這就使得它們需要不斷地往返水中和河岸之間。但是正如前文中所提到的，在河岸的壁面與水平面之間往往存在一個彎液面。盡管這個彎液面在我們看起來很小，但是對于這些想爬到岸上去的小動物而言是一個很難克服的天然障礙。長期以來，這些小動物卻練就了一些神奇的本領，能夠很自然地翻越彎液面。如圖3-14（a）所示，為一長有六條腿的小昆蟲在水面上，它試圖翻越這個彎液面。因此它在運動過程中通過兩條前腿往上拉，兩條后腿往后蹬水面，從而給身體一個整體往前的合力，就能夠爬到河岸上去。而圖3-14（b）中的蟲子卻比較“懶惰”，因為它沒有腿可以進行攀登水面，所以就借助于另外的方式翻越彎液面。仔細觀察，發(fā)現(xiàn)（a）圖中小昆蟲的身體分為幾節(jié)，但是每段身體都接近于剛性，不能自由地變形，所以就靠著腿部的作用力而爬上河岸。而（b）圖中的小蟲子的身體是柔軟的，所以它僅僅通過合理地調(diào)整身體的姿態(tài)就能夠很輕松地翻越這個彎液面。在它調(diào)整身體姿態(tài)的過程中，造成了身體前后兩個部分所承受的液體表面張力的分量大小不一樣——前方的力較大，后面的較�。还识鶕�(jù)牛頓定律可以知道，它能夠克服自身的重力而產(chǎn)生向前的加速度，最終爬上河岸。這說明后這兩種小動物都具備了不一般的智慧，它們已經(jīng)學會了合理利用表面張力來達到自己翻越彎液面的目的。3.4螞蟻救生筏剛才講的彎液面往往都是靜止的，而發(fā)生洪災時，面對滔滔的浪水，生命顯得多么渺小。這個時候人們可以跑到樹上去，甚至可以坐在小船里面，最后靜等洪水褪去。如圖3-15所示的情形，為發(fā)生大洪水時，傳說中的諾亞方舟在電閃雷鳴之中，在無邊的洪水中飄搖不定的情形。相比于人類而言，螞蟻更加渺小。在洪水中，一個很小的浪頭打來，就可以讓它粉身碎骨，然后瞬間就吞噬掉它的尸體。即便不是在洪水中，我們都知道，一只螞蟻是很害怕水的；當螞蟻落到一盆子水中時，往往很難單獨逃生。但是發(fā)生洪災時，我們經(jīng)�？吹轿浵仌С梢粓F（如圖3-16所示）。這是因為當它們抱成一團時，就像一艘小船一樣，其整體的抵抗洪水的能力得到大大提高，從而可以安全地度過洪災。例如紅火蟻就具備這種超凡的本領。它們原產(chǎn)于南美，如今活躍在美國的南部地區(qū)。當洪水來襲時，這一群火蟻的成員們就利用手足、口器和腿部的毛將身體連接起來，環(huán)環(huán)相扣，從而就形成了一個防水的“救生筏”，可以在水面上長時間漂浮。一個成員多達20萬個的蟻群甚至可形成寬達半米的筏子。這群螞蟻通常能夠借助其體毛形成的一層空氣膜以增強浮力，形成所謂的Cassie-Baxter浸潤狀態(tài)，從而確保每一個成員都能幸存下來。當然，蟻筏里面的每一只螞蟻都是可以動態(tài)移動位置的。當一群螞蟻浮在水里時，位于蟻團最上方的螞蟻會設法逃離蟻團。然而，當它們到達邊緣卻找不到“陸地”時，螞蟻就會掉頭重新爬向中心。當它們意識到已經(jīng)到達蟻群的邊緣時，已經(jīng)有其他螞蟻爬到了它上面，迫使它成為漂浮物的底層組成部分。另外，當上層的螞蟻因為遭遇雜物撞擊、捕食者侵襲或急流席卷而喪生時，下層的螞蟻在群體意識的感召下便會迅速移至上層，以保證筏子的完整性�？茖W家認為，對這種螞蟻的群體行為進行研究，將為研制微型機器人和改良材料的防水性能等領域帶來新啟發(fā)。4.2.1壁虎的腳關(guān)于多級結(jié)構(gòu)的應用，其中一個非常有意思的例子就是壁虎那神奇的攀墻能力。自然界幾十億年的進化與“適者生存”的法則造就了壁虎等生物在各種表面上運動的能力，這種能力遠遠超越了人們的能力與想象。壁虎不僅能在垂直的墻壁上自如地跑步，而且能在天花板上停留和爬行——就好像他們自身的重力對運動過程沒什么影響似的。多年以來，人們對壁虎這種飛檐走壁的能力一直眾說紛紜，尤其是體重較大的壁虎也能在墻上運動更是令人費解。實際上，數(shù)千年以前人類就已經(jīng)注意到壁虎這種超能力。例如古希臘百科全書式的大學者亞里士多德（Aristotle,384–322年）曾在《動物自然科學史》中記載：“壁虎即使頭部向下也能在樹上自由上下爬行”。人們對壁虎這種超強的能力羨慕不已，總是夢想著擁有類似的本領——2002年放映的好萊塢大片《蜘蛛俠》中男主角那身輕如燕的爬墻術(shù)就反映了這種向往。壁虎能夠在墻上飛速奔跑的主要原因，還是在于它們的腳掌具有神奇的結(jié)構(gòu)。長期以來，很多人都確信它們的腳部有個吸盤，從而能夠牢固地粘在墻上。事實上，這種臆測完全沒有科學道理�？茖W家們對一種叫做大守宮的壁虎進行了研究。這是亞洲體型最大的一種壁虎，體長可達30至40厘米，重達200至300克。用肉眼就能觀察到它柔軟的足墊上呈現(xiàn)出一條條弧狀褶皺，長度約為1–2毫米。把大守宮的腳掌放在電子顯微鏡下仔細觀察，發(fā)現(xiàn)壁虎的腳掌具有多級、多纖維狀表面的結(jié)構(gòu)。實際上，如圖4-10所示，壁虎的每個腳趾上生有數(shù)百萬根細小的剛毛，每根剛毛的長度約為30–130微米；剛毛的直徑為幾個微米，這個尺寸大約是人類頭發(fā)直徑的十分之一。剛毛的末端又分叉形成了數(shù)百根更為細小的鏟狀絨毛(大約有幾百根)，每根絨毛的長度及寬度方向的尺寸約為200納米，厚度約為5納米�？茖W家們已經(jīng)通過實驗證明，壁虎這種超強的黏附力主要來源于腳掌上的大量剛毛與物體表面的分子間作用力，即范德華力。范德華力是中性分子的距離很近時產(chǎn)生的一種微弱電磁力；由于壁虎的腳部分布著無數(shù)細小的剛毛以及更小的顯微結(jié)構(gòu)，這就組成了一種多級結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生大量的范德華力，這些力的疊加就足以支撐壁虎的體重。然而，關(guān)于壁虎還有一些更為令人驚訝的事情。例如，壁虎在日常生活中難免要經(jīng)過布滿灰塵的地帶，腳掌上肯定會沾染灰塵。但是奇怪的是，壁虎的黏附力沒有受到絲毫影響，不但依然非常強勁，而且能夠“百花叢中過，片葉不沾身”，“動一動腳掌，不帶走一顆沙粒”。壁虎腳掌下究竟隱藏著何種玄機，使得它能夠使得壁虎能在沾滿灰塵的墻壁上依然運動自如？科學家們通過對壁虎進行直接的實驗測試，發(fā)現(xiàn)壁虎腳掌表面具有類似“蓮花效應”的自清潔能力。盡管荷葉的表面也具有超疏水性，但是它卻不具備像壁虎腳掌那樣超強的粘附能力。同時，壁虎在運動過程中，還需要使腳掌快速脫離墻面，從而盡快減少粘附力，這種超強的能力是壁虎的腳掌適應自然環(huán)境的一種重要功能。揭示壁虎這種既具有自清潔能力又具有特殊粘附能力的原理，是人類進行仿生設計機器壁虎所必須攻克的關(guān)鍵問題。根據(jù)壁虎的這種特殊本領，我們可以仿生設計出一種名叫“壁虎帶”的黏合劑，可以用在外科手術(shù)使用的夾子和縫線、登山者使用的安全裝置和醫(yī)用繃帶、足球守門員使用的超強黏性手套等方面。我們還可以仿生設計出適合在任意表面行走的微型爬壁機器人，可以代替人類在特殊環(huán)境中完成一些不適合人類直接完成的任務。 如圖4-11所示，英國科學家仿照壁虎腳掌剛毛的幾何排列構(gòu)造，以電子束與氧離子刻蝕相結(jié)合的方法在5微米厚的聚酰亞胺薄膜上制備了長約2微米、直徑約0.5微米、間距1.6微米的高彈性聚酰亞胺纖維陣列。當施加一定預壓力后，每平方厘米的面積可負重3牛頓。他們利用這樣的仿壁虎帶能支撐一個體重不小的“蜘蛛俠”玩具。這個玩具重約40克，手掌覆蓋著仿生制造出來的壁虎帶，與基底接觸面積能達到0.5平方厘米，可以支撐大于100克的重量。類似地，美國科學家利用碳納米管陣列制成了一種仿生壁虎腳。這里的碳納米管由主體的豎直部分及端部的彎曲部分組成，分別用來仿生壁虎腳部剛毛和鏟狀絨毛。當碳納米管陣列與基底接觸時，彎曲部分與基底表面的線接觸有效地增大了接觸面積，類似于壁虎鏟狀絨毛與基底的接觸。為了測量這種結(jié)構(gòu)的黏附力，他們?nèi)?毫米4毫米面積的碳納米管集簇與玻璃基底接觸，這個樣品能牢牢吊起一本重為1480克的書本（如圖4-12所示）。他們發(fā)現(xiàn)，在碳納米管陣列的基礎上研發(fā)出的仿生壁虎腳，既能在垂直的墻壁上吸附住重物，也能夠從不同角度輕松自如地取下來。如圖4-13所示，美國科學家研發(fā)出了一種仿壁虎機器人，稱之為“粘蟲”。和壁虎類似，該機器人設計成長了四只具有粘附性的腳掌，每只腳具有四個腳趾，并且腳趾上覆蓋著數(shù)百萬根細小的人造剛毛——這些剛毛的直徑約為0.5納米。借助這些剛毛與物體表面間的范德華力作用，這個機器壁虎就能在墻壁上飛速爬行”。值得一提的是，“粘蟲”機器壁虎從黏附的原理、運動形式及外形上都比較接近真實的壁虎。除了壁虎之外，還有很多小動物，如甲蟲、蒼蠅、蜘蛛等的腳掌結(jié)構(gòu)在長期的自然演化過程中也具備了經(jīng)過優(yōu)化的微結(jié)構(gòu)。它們大都能在墻壁上停留，甚至能在光滑的玻璃上站立，說明它們的角爪也具有很強的粘附力。如圖4-13所示，它們的爪子尖端部分的直徑介于0.2微米到5微米左右；而體格越大的動物，腳掌絨毛尖端結(jié)構(gòu)越復雜。這些都進一步說明，如果要獲得超強的粘附能力，腳部必須擁有復雜的多級結(jié)構(gòu)，而這些生物都長成了這種結(jié)構(gòu)來適應自然界。
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