讀書筆記｜豬籠草，Nature發了好久了，你曉得吧？！

本文主角是豬籠草，看官就好奇了，書里邊并沒有豬籠草啊，你不是讀書筆記嗎？孟子曰：“盡信書，則不如無書”。告誡我們不能拘泥于書本，也不能完全相信書本。

豬籠草，此人心寬體胖，看起來憨厚老實，時則兇狠狡詐。身為一個植物，不老老實實去飲霧食土，偏偏愛吃肉，你個吃貨，看你都胖成什么樣子了！

2016年4月7日，nature發表了題為“翼狀豬籠草口緣區表面水的連續定向運輸”的LETTER。各種網站進行了各種報道，只是語焉不詳。就在昨天，我的一個小伙伴還表達了諸多的困惑，于是，小強強立志為大家寫篇文章，力爭把這篇文章說的清清楚楚、明明白白、真真切切。（整理一下發型）

大家都知道這篇Nature是北航幾個老師的研究成果，可是你知道它和吉大有幾毛錢關系嗎？首先，請看江雷院士前面那個名字“Zhiwu Han”，韓志武，長江學者，吉林大學工程仿生教育部重點實驗室主任。本文的通訊作者是陳華偉教授，張德遠教授和江雷院士。有兩位吉大校友：江雷院士本科吉大物理、碩士吉大化學；張德遠教授本科、碩士在原吉林工業大學，已并入吉林大學。

自然系統中，包含可以定向運輸水的表面或螺紋的例子數不勝數，比如：沙漠甲蟲、荷葉、潤濕蛛絲等。這些特異功能通常歸功于其納微尺度上的分級結構，驅動力主要是表面能梯度和拉普拉斯壓力梯度。

本文我們通過研究食肉植物翼狀豬籠草的捕蟲籠，發現連續定向水運輸發生在口緣區表面，由于其多級結構，多級結構優化并加強了在運輸方向上的毛細上升，并阻止回流，通過“駐扎”在一個地方，該地方前方所有水滴都反向流動。這導致了兩個結果：1，即使無任何表面能梯度下的一維流動；2，運輸速度比以前以為的快的多。這也告訴我們，不能想當然。

《后漢書·孔融傳》：“初， 曹操攻屠鄴城 ， 袁氏婦子多見侵略，而操子丕私納袁熙妻甄氏。融乃與操書，稱‘ 武王伐紂，以妲己賜周公。’ 操不悟，后問出何經典。對曰：‘以今度之，想當然耳。’”用一句流行話說，叫“你以為你以為的是你以為的”。

不難預期，隱藏在該行為（連續定向水運輸）下面的基本原理可被用來開發實用的人工液體運輸系統，應用在好多好多領域。

口緣區表面浸潤在水和花蜜之中，水來自于雨水、露水、潮濕空氣等，花蜜由捕蟲籠內邊緣的花外蜜腺分泌。它這么胖，必然是個吃貨啊。一直是口水直流啊，口水竟然是甜的，也是沒誰了，指定是個高血七個隆冬糖。

之前，人們已經設計出光滑表面來模仿口緣區表面的結構和特異功能。但是，潛藏在其功能下的機理仍舊未解。這就挺像《倚天屠龍記》里的屠龍刀，江湖上流傳著“寶刀屠龍，武林至尊；號令天下，莫敢不從”，那可真是玄之又玄，誰都知道屠龍刀特別厲害，但是究竟怎么個厲害法，卻寥寥無幾，人們稀里糊涂地爭相恐后去爭奪這個榮譽。最終，周芷若得到了九陰真經，北航陳華偉和張德遠等幾位老師發了Nature。

子曰：工欲善其事，必先利其器。作者祭出高速攝像設備，來觀察口緣區表面的液體流動。他們的口號是：一點一滴不忽視，一絲一毫不放過。有驚喜！作者發現水從里邊向外邊運輸：聚集在口緣區內邊緣的水滴在幾秒鐘內即可移動到外部邊緣，而外部邊緣的小水滴不能向內部移動。利用原位顯微觀測設備，作者觀察到，水的運輸被限制在單個大通道內，大通道垂直于口緣區邊緣分布，而水的橫向流動不超過原本沉積區的寬度。還是那個字，不能看的太細，看的太細就會有新發現了（就是一個字啊，不信你查，一個、一個又一個）。再放大了來看，發現：每個大通道有10個左右的小孔道，水其實被限制在這些小孔道中。再放大看呢，這些小孔道由間距約為100μm的弧形微腔組成。那再放大呢，交給你了，我眼神不好，看不清了。（嫌棄的懵懂超萌小眼神）。這些結構特征保證水從捕蟲籠蒸發后，凝結在口緣區內邊緣，繼而分散在整個口緣區表面，使口緣區保持光滑，每有貪吃鬼上門，我就滑，滑，滑，就讓擅闖禁地者真的變成鬼了。

用掃描電子顯微鏡（SEM）表征，可見一個兩級排列的整齊放射脊，如此整齊，以致于看到的是平行密紋，每個一級密紋包含10個左右二級密紋。弧形微腔沿著二級密紋規則排列，微腔總體向上傾斜，弧形的尖端指向外部；穿過口緣區的垂直部分顯示微腔端部閉合，閉合的界面輕微傾斜，邊緣尖銳。周期性的微腔和邊緣重疊，在沿著微腔端部運動時，微腔和它鄰居的堆疊變得更加明顯。

對單個二級密紋水擴散過程的原位觀察顯示，水的接觸線在沉積后與微腔輪廓相一致。這表明，水“駐扎”在微腔的尖銳邊緣。人家也是熱愛冒險的小伙伴。通過不斷灌滿單個微腔，水從內部到外部的運輸就很容易發生。水滴的輪廓顯示：水首先沿著楔形物的角擴散，然后把空氣排除來填充微腔，最后聚集在微腔前方。由于相鄰的微腔有重疊，在一個微腔還沒有完全填滿時，相鄰的微腔就已經開始填充。

總而言之，言而總之，綜合效果就是水的連續定向運輸。當一個微腔填充到其水位超過它側壁的頂端時，水就會環繞在與下一個微腔重疊區域的起始點。低水層（Ⅲ）溢滿產生上水層（），上水層接著填充第二個微腔；在第二個微腔被填滿之前，重復循環，上水層（Ⅱ）溢滿產生頂部水層（Ⅰ），頂部水層填充第3個微腔。就這樣，每個微腔的順次填充導致了最終水的連續運輸，同時，水的駐扎阻止潤濕發生在相反方向。

潤濕性測試顯示，口緣區表面是親水的；EDS表征顯示，不存在化學梯度。那么問題就來了，到底它是什么原因讓其定向運輸的呢？為了一探究竟，作者制造了人工口緣區，利用PDMS（聚二甲基硅氧烷），通過復制模塑方法，經過氧等離子體處理來調節它們的表面能。

作者發現，只有在親水性的PDMS表面上，才有定向的水運輸。這個親水性的接觸角臨界值小于65°，而之前以為的接觸角臨界值是90°。再一次，你以為你以為的是你以為的，“以今度之，想當然耳”。具有親水表面的人造PDMS口緣區，水擴散較快，接近于天然口緣區。

在親水性的PDMS表面發生水運輸，而在疏水性PDMS表面上沒有發生水運輸，由此可見，在這個系統中，親水性是多么重要啊。

只要平面上液體Young接觸角θ和角落張角α滿足下式，液體就可以無界生長。

此時，毛細管生長高度可由下式給出：

式中，γ為表面張力；ρ為液體密度；θ為水的接觸角；g為重力常數。

但是，自然界中往往不是簡單的角落毛細生長（張角恒定不變），而是更加有彈性（張角是變化的）。那豬籠草究竟是怎么做到的呢？它是通過建造口緣區的特殊梯度來產生梯度，具體來說：某一微腔的張角α₁比他上面的微腔的張角α₂大。對于這種情況，當α₁＞α₂時，假設兩者之差無窮小，其毛細管生長高度可由下式給出：

式中，γ為表面張力；ρ為液體密度；θ為水的接觸角；g為重力常數，h為兩個交叉平面的高度。

該式中，令α₁=α₂，可得，即恒定張角時的毛細生長高度。

當α₁＞α₂時，大于恒定張角時的毛細生長高度。

當α_1＜α₂時，小于恒定張角時的毛細生長高度。

作者設計了一個簡單的實驗來驗證毛細生長高度的增加和減少（前文分析所得）。有趣的是，在豎直角頂端放置水平角時，水沿著豎直梯度上升，然后填充頂部水平角。該效應使系統中升高的水體積增加了40%，并且延長水的滯留時間到兩倍。在口緣區，頭部閉合的對稱微腔結構，就是利用了這種效應，致使比普通毛細管上升更多的水上升。這個效應，和水駐扎在微腔尖銳邊緣一起導致了水的連續定向快速運輸。

利用這些原則來制造人工系統，可用在農業滴灌、無外力的微藥物運輸等領域。現在運輸水，一般都要把水先抽到高處，然后利用重力往下走。而通過設計制造仿口緣區的結構，就可以從低處往高走，想想都好激動啊。

本文為《仿生智能與納米材料》讀書筆記系列第二篇，由材料牛編輯小強提供。如需轉載請郵件至editor@cailiaoren.com，點我加入編輯部。