讀書筆記｜蜘蛛絲方向集水，話不能說的太細

《仿生智能與納米材料》小強強讀書筆記（一）

蜘蛛絲方向集水，話不能說的太細（ps: 說的太細，你就全明白了．．<{=．．．）
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雨天的蛛絲很美，有圖有真相，沒圖別說話。

“雨，像銀灰色粘濕的蛛絲，織成一片輕柔的網，網住了整個秋的世界。”這是張愛玲詩意的描述。文科生和理科生的思維模式確實有一點點不同喔：文科生發現美；理科生要搞清楚，它為什么這么美？理科生認真起來是很可怕的，這不，江雷老師一不小心，對蜘蛛絲的研究上了Nature的封面。

絕無僅有，另一個理科男，為了向女朋友表白，鼓搗出了一套水中花園，上了Science封面，迎娶白富美，走上人生巔峰！這個日后有機會再說撒。

蜘蛛絲那么直，怎么能網住一個一個的大露珠呢？這不科學，這不科學。你確定是直的？就問你敢不敢仔細看看，敢不敢用顯微鏡看。不看不知道，一看嚇一跳。

此為環境掃描電鏡圖。a圖為干燥條件下的蜘蛛絲，b圖為puff（蓬松物）結構的放大圖像。可以看出：首先，蜘蛛絲兩個主要軸向纖維，沿著蛛絲蓬松結構周期性排列。蓬松結構放大圖像顯示，其由一系列無規排列纖絲組成。好神奇啊（膜拜的表情），嘻嘻嘻（整理一下發型）。

請收起你的膝蓋、下巴，紅包就不要收了。話還沒說完呢，干燥狀態下的蜘蛛絲身材凹凸有致，那濕潤狀態的蜘蛛絲又是怎樣的歐巴呢？吶，給你，你個花癡（鄙視的小眼神）。

a，濕潤的蜘蛛絲；b，紡錘節；c，紡錘節放大圖像；d，鏈接結構；e，連接結構放大圖像。怎么樣，通過對濕潤蜘蛛絲全方位多角度無死角厚臉皮的仔細觀察，是不是又被蛛絲歐巴迷倒了？你個花癡（鄙視的小眼神）。哎，花癡，哎哎哎，醒醒，話還沒說完呢，一會你再迷倒。我們可以看到，濕潤蜘蛛絲由鏈接結構和紡錘節結構組成，鏈接結構由有序納米纖維組成，紡錘節結構由無序納米纖維組成。把蛛絲弄濕，蓬松物變成了紡錘節，好神奇啊，趕緊記錄下來，這叫“潤濕重建”。這種潤濕重建是蛛絲方向集水的絕世武功的內功心法，厲害吧（整理一下發型）。

作為一個工科生，我可不相信什么內功，什么外功，我只相信科學，相信真理，相信自由，相信希望......說跑偏了，言歸正傳。為什么潤濕重建的紡錘體結構就能提供其方向集水特性呢？沒有兩把刷子，小強怎么敢在這里整理發型呢？這兩把刷子就是表面能梯度和拉普拉斯壓力差，很高大上有沒有，（整理一下發型）。

焚香沐浴，祭出第一把大殺器：Wenzel規則。

式中，r：表面粗糙度；θw：粗糙表面表觀接觸角，角標為什么是w，仔細看看是什么規則--Wenzel規則；θ：平滑表面固有接觸角。Wenzel規則告訴我們，相比于鏈接結構，紡錘節粗糙度更大，因此水接觸角更小，即更親水，表觀表面能更高。蛛絲上的表面能梯度力可用下式表示：

式中，F：表面能梯度力；r：水的表面張力；θA：advancing?angle，蛛絲上水滴的前進角；θR：receding angle，蛛絲上水滴的后退角；dl：從鏈接結構（joint，Lj）到紡錘體（spindle-knot，Lk）的長度積分變量。

綜上可知，粗糙度差異產生表面能梯度，表面能梯度力驅動蛛絲上小水滴從鏈接結構（弱親水）到紡錘體移動（高親水）。一言以蔽之，蛛絲上的水滴比較現實，誰親他，他跟誰走。

焚香沐浴，祭出第二把大殺器：拉普拉斯壓力差。

式中，ΔP：拉普拉斯壓力差；r1：鏈接結構的直徑；r2：紡錘節的直徑；R0：墜落半徑，即墜落水滴的半徑，

β：紡錘體頂角的一半；dz：紡錘體半徑的積分變量。

由于r1＜r2，則ΔP大于0，即鏈接結構的拉普拉斯壓力要大于紡錘節的拉普拉斯壓力。拉普拉斯壓力差驅動小水滴從鏈接結構向紡錘節移動。一言以蔽之，拉普拉斯壓力差來源于其幾何外形，誰胳膊粗跟誰走。

焚香沐浴，虔心禱告，我們的誠意打動了兩個殺器，他們告訴我們：蛛絲的定向集水有兩個原因----表面能梯度和拉普拉斯壓力差，表面能梯度力來源于蛛絲親疏水性質的差異，拉普拉斯壓力差來源于蛛絲的幾何外形。整理一下發型，阿門！

《建寧府建陽縣長灘社倉記》：“蒙惠者雖知其然，而未必知其所以然也。”先人教導我們，不止要知其然，更要知其所以然。通過小強夜觀天象，大家現在不光了解了蜘蛛絲的方向集水，還了解了為什么會方向集水。話不能說的太細，說的太細，你就明白了！！！

《荀子》曰：“知之而不行，雖敦必困。”也就是告誡我們要學以致用，我們既然知道了蛛絲的小秘密，就要把其有限的原理投入到無限的為人民服務中去。下回分解。

參考文獻：

1. 《仿生智能納米材料》江雷，2015版；

2. Nature：Directional water collection on wetted spider silk