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荷叶为什么不沾水?超高分辨率显微镜下,才知出淤泥而不染的原因



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荷叶为什么不沾水?超高分辨率显微镜下,才知出淤泥而不染的原因



夏季是赏荷花的季节,现如今的荷花开得正艳,随便一拍都是风景。但是小小的荷花也有秘密,它们的秘密就是水滴永远也无法留在荷叶表面,这就是周敦颐在《爱莲说》所说的:出淤泥而不染。

虽然我们敬仰它们“出淤泥而不染”的品质,但是对它们是怎么做到这一点却并不清楚,本文带你了解一下。


显微镜下的荷叶

如果你将荷叶放在超高分辨率显微镜下可以发现,荷叶表面存在着许多微小的乳突,平均每个乳突的大小为6-8微米,平均高度为11-13微米,乳突之间的间距为19-21微米。而每个乳突上面又分布着许多直径只有200纳米的乳突。更为重要的是,乳突上还有一层蜡质物体,这些蜡质物体本来就具有疏水性。

荷叶上面是多重纳米和微米级的超微结构,并且是多重凸出,每个乳突与凸起在荷叶表面上形成了一个又一个的“小山包”,小山包的底部充满着空气,这样就使得叶子表面有一层只有纳米厚的空气膜。


当小水滴落在叶面上时,此时小水滴就会因为叶片空气的张力而凝结成圆圆的雨滴,然后再落下去。达到“出淤泥而不染”的目的,这也被称之为“荷叶效应”。

事实上,除了荷叶之外,还有许多水生植物也存在着“荷叶效应”,比如:睡莲、王莲等,那么问题来了,它们究竟遇到了哪些压力,为什么要不约而同演化出“疏水”结构呢?


荷花为什么要出淤泥而不染?

荷花之所以要出淤泥而不染,其实是为了生存。

在种植莲藕时,当地农民会将一节节莲藕埋藏于水塘底部,当环境适宜时,莲藕就会长出细小的莲鞭。

莲鞭并不是莲藕,它们相当于荷花的走茎,长出一节莲鞭后,莲鞭节上就有一个芽,能够长出一个荷叶,如果荷叶是浮叶,也就是荷叶漂浮在水面上,那么该莲鞭就不会发育出花芽。

但如果荷叶是挺叶,也就是挺在水面上,那么在叶子旁边就会有一个花芽,未来能够开出一朵花。

等到秋季时,气温变得不再适宜荷花生长,此时莲鞭就会长出终止叶,并不再生长,而地下根茎为了来年繁衍,会生长出膨大的莲藕


一些插画家对荷花和莲藕了解地没那么清楚,在画图时,就会误将荷花底部的根茎画成莲藕,但其实它们是又细又长的莲鞭,等到荷花谢了之后,莲藕才会开始生长(这图的错误还在于,前面莲花还没凋谢,后面的莲蓬已经长出来了)。

由于荷花的地下根茎深藏于荷塘底部,在积水环境下,莲鞭和莲藕难以呼吸,此时它们就需要通过叶片来进行呼吸。为了保证地下根茎的呼吸,需要荷叶表面保持干净,如果有灰尘或者泥土阻挡了呼吸孔,将会影响地下根茎的呼吸,所以才演化出了疏水方式。

荷叶效应的应用

由于荷叶能够出淤泥而不染,同时又可以让水带走表面的灰尘,又不会弄湿自己,所以现如今人们根据荷叶的原理,开发出了许多产品。比如:疏水油漆,这种油漆采用纳米级材料制作,涂在建筑物表面时,不仅不会被雨水打湿,反而还能够让雨水带走表面的灰尘,达到自清洁效应,减少了人工打扫环境的成本。

我国科学家们将“荷叶效应”原理应用在了衣服材质上,制作出了一件既防水又防污的衣服,即使是将酱油倒在衣服上,衣服也不会被弄脏。

当然了,以上只是荷叶效应应用的一小部分案例而已,目前荷叶效应应用的范围非常广泛,并且人们还在利用这一原理开发新产品。

总结

荷叶之所以不沾水,是因为它表面存在着大量的微米甚至纳米级的乳突,能够在叶片表面形成一层薄薄的空气膜,并利用空气的张力排斥水滴,从而达到了“出淤泥而不染”的效果,当下次再看到荷花时,我们就能向身边的朋友解释“出淤泥而不染”的科学原理了。



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