读书笔记｜猪笼草，Nature发了好久了，你晓得吧？！

本文主角是猪笼草，看官就好奇了，书里边并没有猪笼草啊，你不是读书笔记吗？孟子曰：“尽信书，则不如无书”。告诫我们不能拘泥于书本，也不能完全相信书本。

猪笼草，此人心宽体胖，看起来憨厚老实，时则凶狠狡诈。身为一个植物，不老老实实去饮雾食土，偏偏爱吃肉，你个吃货，看你都胖成什么样子了！

2016年4月7日，nature发表了题为“翼状猪笼草口缘区表面水的连续定向运输”的LETTER。各种网站进行了各种报道，只是语焉不详。就在昨天，我的一个小伙伴还表达了诸多的困惑，于是，小强强立志为大家写篇文章，力争把这篇文章说的清清楚楚、明明白白、真真切切。（整理一下发型）

大家都知道这篇Nature是北航几个老师的研究成果，可是你知道它和吉大有几毛钱关系吗？首先，请看江雷院士前面那个名字“Zhiwu Han”，韩志武，长江学者，吉林大学工程仿生教育部重点实验室主任。本文的通讯作者是陈华伟教授，张德远教授和江雷院士。有两位吉大校友：江雷院士本科吉大物理、硕士吉大化学；张德远教授本科、硕士在原吉林工业大学，已并入吉林大学。

自然系统中，包含可以定向运输水的表面或螺纹的例子数不胜数，比如：沙漠甲虫、荷叶、润湿蛛丝等。这些特异功能通常归功于其纳微尺度上的分级结构，驱动力主要是表面能梯度和拉普拉斯压力梯度。

本文我们通过研究食肉植物翼状猪笼草的捕虫笼，发现连续定向水运输发生在口缘区表面，由于其多级结构，多级结构优化并加强了在运输方向上的毛细上升，并阻止回流，通过“驻扎”在一个地方，该地方前方所有水滴都反向流动。这导致了两个结果：1，即使无任何表面能梯度下的一维流动；2，运输速度比以前以为的快的多。这也告诉我们，不能想当然。

《后汉书·孔融传》：“初， 曹操攻屠邺城 ， 袁氏妇子多见侵略，而操子丕私纳袁熙妻甄氏。融乃与操书，称‘ 武王伐纣，以妲己赐周公。’ 操不悟，后问出何经典。对曰：‘以今度之，想当然耳。’”用一句流行话说，叫“你以为你以为的是你以为的”。

不难预期，隐藏在该行为（连续定向水运输）下面的基本原理可被用来开发实用的人工液体运输系统，应用在好多好多领域。

口缘区表面浸润在水和花蜜之中，水来自于雨水、露水、潮湿空气等，花蜜由捕虫笼内边缘的花外蜜腺分泌。它这么胖，必然是个吃货啊。一直是口水直流啊，口水竟然是甜的，也是没谁了，指定是个高血七个隆冬糖。

之前，人们已经设计出光滑表面来模仿口缘区表面的结构和特异功能。但是，潜藏在其功能下的机理仍旧未解。这就挺像《倚天屠龙记》里的屠龙刀，江湖上流传着“宝刀屠龙，武林至尊；号令天下，莫敢不从”，那可真是玄之又玄，谁都知道屠龙刀特别厉害，但是究竟怎么个厉害法，却寥寥无几，人们稀里糊涂地争相恐后去争夺这个荣誉。最终，周芷若得到了九阴真经，北航陈华伟和张德远等几位老师发了Nature。

子曰：工欲善其事，必先利其器。作者祭出高速摄像设备，来观察口缘区表面的液体流动。他们的口号是：一点一滴不忽视，一丝一毫不放过。有惊喜！作者发现水从里边向外边运输：聚集在口缘区内边缘的水滴在几秒钟内即可移动到外部边缘，而外部边缘的小水滴不能向内部移动。利用原位显微观测设备，作者观察到，水的运输被限制在单个大通道内，大通道垂直于口缘区边缘分布，而水的横向流动不超过原本沉积区的宽度。还是那个字，不能看的太细，看的太细就会有新发现了（就是一个字啊，不信你查，一个、一个又一个）。再放大了来看，发现：每个大通道有10个左右的小孔道，水其实被限制在这些小孔道中。再放大看呢，这些小孔道由间距约为100μm的弧形微腔组成。那再放大呢，交给你了，我眼神不好，看不清了。（嫌弃的懵懂超萌小眼神）。这些结构特征保证水从捕虫笼蒸发后，凝结在口缘区内边缘，继而分散在整个口缘区表面，使口缘区保持光滑，每有贪吃鬼上门，我就滑，滑，滑，就让擅闯禁地者真的变成鬼了。

用扫描电子显微镜（SEM）表征，可见一个两级排列的整齐放射脊，如此整齐，以致于看到的是平行密纹，每个一级密纹包含10个左右二级密纹。弧形微腔沿着二级密纹规则排列，微腔总体向上倾斜，弧形的尖端指向外部；穿过口缘区的垂直部分显示微腔端部闭合，闭合的界面轻微倾斜，边缘尖锐。周期性的微腔和边缘重叠，在沿着微腔端部运动时，微腔和它邻居的堆叠变得更加明显。

对单个二级密纹水扩散过程的原位观察显示，水的接触线在沉积后与微腔轮廓相一致。这表明，水“驻扎”在微腔的尖锐边缘。人家也是热爱冒险的小伙伴。通过不断灌满单个微腔，水从内部到外部的运输就很容易发生。水滴的轮廓显示：水首先沿着楔形物的角扩散，然后把空气排除来填充微腔，最后聚集在微腔前方。由于相邻的微腔有重叠，在一个微腔还没有完全填满时，相邻的微腔就已经开始填充。

总而言之，言而总之，综合效果就是水的连续定向运输。当一个微腔填充到其水位超过它侧壁的顶端时，水就会环绕在与下一个微腔重叠区域的起始点。低水层（Ⅲ）溢满产生上水层（），上水层接着填充第二个微腔；在第二个微腔被填满之前，重复循环，上水层（Ⅱ）溢满产生顶部水层（Ⅰ），顶部水层填充第3个微腔。就这样，每个微腔的顺次填充导致了最终水的连续运输，同时，水的驻扎阻止润湿发生在相反方向。

润湿性测试显示，口缘区表面是亲水的；EDS表征显示，不存在化学梯度。那么问题就来了，到底它是什么原因让其定向运输的呢？为了一探究竟，作者制造了人工口缘区，利用PDMS（聚二甲基硅氧烷），通过复制模塑方法，经过氧等离子体处理来调节它们的表面能。

作者发现，只有在亲水性的PDMS表面上，才有定向的水运输。这个亲水性的接触角临界值小于65°，而之前以为的接触角临界值是90°。再一次，你以为你以为的是你以为的，“以今度之，想当然耳”。具有亲水表面的人造PDMS口缘区，水扩散较快，接近于天然口缘区。

在亲水性的PDMS表面发生水运输，而在疏水性PDMS表面上没有发生水运输，由此可见，在这个系统中，亲水性是多么重要啊。

只要平面上液体Young接触角θ和角落张角α满足下式，液体就可以无界生长。

此时，毛细管生长高度可由下式给出：

式中，γ为表面张力；ρ为液体密度；θ为水的接触角；g为重力常数。

但是，自然界中往往不是简单的角落毛细生长（张角恒定不变），而是更加有弹性（张角是变化的）。那猪笼草究竟是怎么做到的呢？它是通过建造口缘区的特殊梯度来产生梯度，具体来说：某一微腔的张角α₁比他上面的微腔的张角α₂大。对于这种情况，当α₁＞α₂时，假设两者之差无穷小，其毛细管生长高度可由下式给出：

式中，γ为表面张力；ρ为液体密度；θ为水的接触角；g为重力常数，h为两个交叉平面的高度。

该式中，令α₁=α₂，可得，即恒定张角时的毛细生长高度。

当α₁＞α₂时，大于恒定张角时的毛细生长高度。

当α_1＜α₂时，小于恒定张角时的毛细生长高度。

作者设计了一个简单的实验来验证毛细生长高度的增加和减少（前文分析所得）。有趣的是，在竖直角顶端放置水平角时，水沿着竖直梯度上升，然后填充顶部水平角。该效应使系统中升高的水体积增加了40%，并且延长水的滞留时间到两倍。在口缘区，头部闭合的对称微腔结构，就是利用了这种效应，致使比普通毛细管上升更多的水上升。这个效应，和水驻扎在微腔尖锐边缘一起导致了水的连续定向快速运输。

利用这些原则来制造人工系统，可用在农业滴灌、无外力的微药物运输等领域。现在运输水，一般都要把水先抽到高处，然后利用重力往下走。而通过设计制造仿口缘区的结构，就可以从低处往高走，想想都好激动啊。

本文为《仿生智能与纳米材料》读书笔记系列第二篇，由材料牛编辑小强提供。如需转载请邮件至editor@cailiaoren.com，点我加入编辑部。