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为啥李子洗着洗着表面形成透明球?
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本文深入浅出地介绍了超疏水效应,探讨了为何李子、银杏果等果实在水中会呈现出奇特的光泽。文章解释了超疏水性表面的形成原理,以及这种特性在自然界中的广泛应用,例如水黾和划蝽。通过对接触角、折射率等概念的讲解,揭示了光线与果实表面的相互作用,以及银杏果呈现独特银亮光泽的原因。文章还探讨了超疏水性在日常生活中的应用,并强调了银杏作为“活化石”在演化过程中的适应性。

💧 超疏水效应是指固体表面对水的排斥能力,接触角大于150°的表面即为超疏水表面。这种特性源于表面结构和物质的化学性质,例如李子、银杏果等外皮上的蜡质结构,以及水黾和划蝽的特殊结构。

🔬 水中果实变透明甚至发光是物理光学现象。果实表面的蜡质结构或微小突起导致水被“架”在结构顶端,形成薄空气层。光线穿过水和空气时,由于折射率差异,发生折射和散射,使果实呈现均匀的银白色或灰白色。

✨ 银杏果呈现独特银亮光泽的原因在于其表皮脂类浓度高,蜡质层上的结晶体呈管状叠加状态,形成微型镜片结构。这种结构增强了蓝紫光的反射,产生冷调银光,造就了银杏果的独特外观。

🌱 超疏水性在自然界中广泛存在,植物通过蜡质结构或毛发状结构实现超疏水性。银杏作为“活化石”,其超疏水性可能是其祖先在侏罗纪气候影响下演化出的一种适应性状。

最近小红书上有人发帖如下:

(图片来源:小红书up主法斗五花妹妹,已获作者授权)

该贴引发数百万人围观,评论区纷纷求手机壁纸,也有不少美术生在祈祷千万别被老师看见,以免当做写生素材。无论是当壁纸还是当素材,只因李太美

不过,还有比李子更美的,那就是银杏“果”(银杏属于裸子植物,严格来说没果实):

银杏入水前(图片来源:网络)

银杏入水后:银杏之名,确实不白叫(图片来源:网络)

除了银杏果,银杏叶子洒上水后,颜值也不输荷叶滚珠:

(图片来源:atlasofscience)

李子、银杏果、银杏叶的外皮上,均有沉积蜡质结构 ,遇水出奇迹的原因就源于该结构所体现出的拒水性,也就是超疏水效应。

超疏水性果实还有一个经典的案例是蓝莓,植物界蓝色果实的植物很少,蓝莓也是因为表皮结构才呈现出蓝色的

地球生物体作为“固体”,时刻与气态、液态环境发生着物理相互作用,其中超疏水效应属于很常见的现象——我们星球上存在着大约2.5亿平方千米的超疏水植物表面。除了植物外,很多动物也很好利用了这一原理,用两种生活在水里的昆虫举例:

主要在水面活动的水黾(属于黾蝽科),之所以能轻盈穿过水面,而不被表面张力困住,除了靠其迷人大长腿外,还需要超疏水性“腿毛”加持:

(图片来源:Bing)

而需要潜入水下捕食的划蝽(属于划蝽科)全身布满超疏水的毛,在水中不仅自带美颜,更重要的是形成的气膜就相当于自带氧气包,可以很好辅助呼吸:

(图片来源:Bing)

啥是超疏水效应?

众所周知,水和油互不相溶。

看起来似乎是水排斥油,但实际上油分子和水分子之间实际上是相互吸引的,只不过这种吸引力远不如水分子之间的氢键网络作用力强。

一个水分子最多能通过氢键与四个水分子链接(图片来源:Bing)

我们可以理解为,水分子和水分子为了在一起玩,“排挤”油分子,迫使油分子聚集到一块。这种由水引发的油分子之间的吸引力被称为疏水相互作用

至于疏水程度,是由液体-蒸汽界面与固体表面之间形成的接触角决定。接触角大于150° 的表面,就被称为超疏水表面

从左到右按照接触角可划分为:超亲水性、亲水性、疏水性、超疏水性(图片来源:mdpi.com)

日常生活中,我们经常会看到水滴在煎锅上滚动,其实也是利用了疏水性涂层,其中最经典的材料是特氟龙(Teflon)。特氟龙的接触角约为105°,离很多动植物表皮的疏水能力还是有差距的。

特氟龙是实现锅“不沾”的一种经典材料(图片来源:mdpi.com)

在自然界,植物主要是通过两种方式来实现超疏水性,一种是本文开头,李子葡萄银杏等外种皮上脂肪酸的衍生物——也就是蜡质结构,还有一种是毛发状结构:

荷叶表面的凸起结构(图片来源:mdpi.com)

疏水性为什么导致水中果变透明甚至发光?

至于李子、葡萄等放入水中变透明,其实属于经典的物理光学游戏:

这些果子表面布满了蜡质结构或者微小突起,疏水效应又导致水被迫“架”在了这些小结构的顶端。这样一来,在水的下方和果子真实的表皮上方之间,就困住了一层非常薄的空气

植物表皮示意图(图片来源:mdpi.com)

当光穿过水达到这层空气时,涉及一个基本概念——折射率,折射率就是衡量光线穿过某种物质时“弯曲程度”的指标。

空气的折射率非常低(接近1),而水的折射率约1.33,高于空气。因为折射率差别很大,光线在这个水-空气的界面上会再次折射,同时,空气层本身的厚度和结构会导致光线发生散射。

这种在水-空气界面发生的综合效果,覆盖了果子表皮本身的颜色。最终进入我们眼睛的,主要就是各种波长的白光,看起来就像一层均匀、闪亮的银白色或灰白色薄膜覆盖在果子表面。

银杏为啥显得特别银亮?

银杏叶和银杏果外表皮脂类的浓度很高,也就是特别“油”,这会导致其蜡质层上的结晶体呈管状叠加状态。

银杏表皮蜡质晶体(图片来源:知网《银杏叶表皮特征及其气孔发育》陈立群)

这种紧密排列的晶体结构,比普通果实的绒毛或颗粒状蜡晶更规则、密度更高,能锁住更厚的空气层。其平整晶体表面像微型镜片,叠加光干涉效应,增强蓝紫光反射,就会形成冷调银光。

银杏作为现存最古老的树种之一,经常被称为“活化石”。其超疏水性或许是其祖先在侏罗纪气候影响下,演化出的一种持续适应性状。

最早的银杏类植物出现于二叠纪(图片来源:Bing)

参考资料

[1]https://www.nature.com/articles/417491a

[2]https://naturesraincoats.com/hydrophobic-and-superhydrophobic-surfaces/

[3]https://www.researchgate.net/publication/281650334_Plant_cuticular_waxes_A_review_on_functions_composition_biosyntheses_mechanism_and_transportation

[4]https://www.mdpi.com/2079-4991/12/1/44

本文来自微信公众号“把科学带回家”(ID:steamforkids),作者:乌其多,审校:河边的卡西莫多 ,36氪经授权发布。

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