2010年2月26日

人造節肢動物毛髮實現一流防水效能

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點

工程師們不斷嘗試使用塑膠和化學塗層來製造保持乾燥的產品（或使穿著者保持乾燥），但大自然很久以前就解決了防水問題。例如，荷花和旱金蓮等植物的葉子，可以使水像剛打蠟的汽車上的雨水一樣凝結成珠，而非洲沙漠甲蟲則利用其背部的防水通道將水滴匯入嘴中。

繼研究人員尋求工程化仿生材料，利用荷葉和沙漠甲蟲的防水或疏水特性之後，一篇新論文提出了一種相對簡單的方法來模仿節肢動物毛髮的疏水性。節肢動物門的一些無脊椎動物，包括昆蟲、甲殼類動物和蜘蛛，具有絨毛狀表面，使它們能夠在水面上行走（如水黽），或捕獲氣泡用於水下呼吸——一種原始的水肺裝置。

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佛羅里達大學的Shu-Hau Hsu和Wolfgang Sigmund在2月2日出版的《Langmuir》雜誌上報告說，他們透過熔化聚丙烯片材並將其壓在佈滿微小孔洞的模具上，創造了幾乎完全疏水的表面。（疏水性是透過水滴與表面的接觸程度來衡量的；在完全疏水的材料上，水會凝結成球體，最大限度地減少接觸。）當模具移除後，填充孔隙的材料形成了毛髮狀附屬物的網路[見下方顯微照片]，以“Γ”形從聚丙烯片材表面升起。這種絨毛狀材料類似於節肢動物（如中黽屬的水黽）身上發現的覆蓋著毛髮的表面。

這種結構透過捕獲水滴下方的氣穴來限制水的接觸，從而減少液體與表面之間的接觸量。對於Hsu和Sigmund製造的最小的人造毛髮（直徑僅為0.6微米），水滴與表面的接觸角大於170度。（一微米是百萬分之一米。）在完全疏水的材料上，球形水滴以180度角接觸表面。

Hsu和Sigmund方法的優勢之一是，材料的疏水性是純粹結構性的——也就是說，它不需要用疏水劑進行額外的化學處理。（扁平聚丙烯本身只有非常微弱的疏水性。）但作者指出，他們的毛髮不是很堅固；用手指摩擦表面會使絨毛森林變平，並破壞其卓越的疏水性。