在盛夏時節安靜的池塘邊，正是觀賞荷花的好時候。在紅花綠葉的點綴下，夏日仿佛多了一絲清涼舒緩。每當提到荷花（蓮花），總能想起周敦頤在《愛蓮說》中 “予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖”的詩句。荷花歷來被佛教尊為神圣凈潔之花，并且極力宣傳并倡導學習荷花這種清白、圣潔的精神。另外，李白的詩句“清水出芙蓉，天然去雕飾”，也表明荷花具有天然之美。荷花即青蓮，青蓮與“清廉”諧音，因此荷花也被用以比喻為官清正，不與人同流合污，這主要是指在仕途中。比如，有一幅由青蓮和白鷺組成的名為“一路清廉”的圖畫，就被很多文人置于自己的書房中?？墒?，蓮為什么可以出淤泥而不染呢？這就要講到蓮花的“自清潔”和“不沾濕”特性了。
如果留心觀察蓮花的葉子，你就會發現荷葉上總是干干凈凈的，好似不留一點灰塵。這是因為荷葉表面的特殊結構有自我清潔的功能，即荷葉的“自清潔”特性。此外，我們經常會看到這樣的場景：當水滴在荷葉上時，水并沒有完全鋪展開，而是以水珠的形式停留在荷葉上，而且只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。這就是荷葉的“不沾濕”特性。荷葉的“自清潔”和“不沾濕”特性被統稱為“荷葉效應”。這一概念最早是由德國波恩大學的植物學家巴特洛特提出的。
圖1荷葉效應
其實，荷葉的“不沾濕”特性也被稱為“超疏水”特性。那么，如何界定“超疏水”這一概念呢？在明確“超疏水”這一概念前，我們要先了解表面化學中的一個概念——接觸角。如下圖所示，接觸角指的是“液－固”界面的水平線與“氣－液”界面切線之間通過液體內部的夾角θ。有了這一概念，我們可以很方便地表示液體對固體的潤濕情況。當夾角θ小于90°時，我們稱該液體可以濕潤固體。當θ大于90°時，該液體不能濕潤固體。當θ大于150°時，該固體表面具有超疏水特性。通俗地講，我們可以認為這種固體表面有很強的排斥水的能力。
圖2 浸潤與不浸潤的特征
在自然界中，奇異的性質往往是其獨特的結構決定的。那么，你肯定會問：“荷葉的特性是否與它的結構有關呢？”答案是肯定的。掃描電子顯微鏡的發展給我們的科學研究帶來了更多的可能，也使得我們能夠觀察到荷葉的微觀結構。通過電子顯微鏡的成像結果，我們可以清晰地看到荷葉表面有許多突起的“小山包”（這類結構被稱為“乳突”如圖3(a)）。這些乳突的尺寸通常在6微米左右，這些乳突的平均間距在12微米左右。而這些乳突是由許多直徑在100納米左右的納米蠟質晶體組成。由此可見，荷葉表面存在復雜的“微米-納米”雙重結構，正是這些結構使得荷葉產生了“超疏水”和“自清潔”的雙重特性。
圖3 荷花葉片的SEM圖像 (a)低倍圖像(b) “乳突”高倍圖像(c)葉片底部高倍圖像（d）“乳突”尺寸對應的接觸角曲線分布
自然界的生物都經歷了漫長的演化過程，在物競天擇下，生物自身的結構和功能都經過了長期的篩選、發展和優化，具有極高的效能。荷葉的“自清潔”性能，并不是簡單的美觀功效，清潔程度直接影響葉片的光合作用效率。那么不僅僅是荷葉，在自然界中具有自清潔功能的生物還有很多種，比如蝴蝶的翅膀具有的超疏水結構，保證蝴蝶翅膀不會粘連露水影響飛行。水黽的腳具有絨毛結構，確保了水黽在水面上能以每秒鐘滑行100倍于自身長度的距離，這都由于水黽腿部上有數千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。而這些像針一樣的微米剛毛的直徑不足3微米，表面上形成螺旋狀納米結構的構槽，吸附在構槽中的氣泡形成氣墊，從而讓水黽能夠在水面上自由地穿梭滑行，卻不會將腿弄濕。還有蚊子的復眼，它是由許多尺寸均一的微米半球組成，其表面還覆蓋有無數精細的納米乳突結構，這種納米乳突結構的尖端與霧滴接觸的面積無限小，具有理想的超疏水特性，從而確保了蚊子的復眼具有理想的超疏水防霧性能。
圖4 蝴蝶翅膀，水黽足，蚊子復眼的超疏水結構
對自然界演化生成的超疏水結構，科學家們也做了進一步的研究，其超疏水表面的制備方法有多種：溶膠-凝膠法、相分離法、模板法、蝕刻法、化學氣相沉積法、自組裝法等等，下圖為具有獨特形狀的表面微米陣列（如圖5）納米陣列（如圖6），使得它們具有很好的疏水特性。
圖5不同形態的人工合成的超疏水結構
圖6 超疏水結構碳納米管陣列
經過先進結構材料的表面改性，我們常見的水也可以變得很有趣，比如我們可以用手切割水珠（圖7），利用涂有超疏水材料的刀片對水滴進行切割（圖8）。日常生活上，通過先進疏水材料的應用我們可以使得衣物不再被水或者油污污染，減少洗滌衣物的麻煩。在軍事上，由于疏水材料的使用使得水的阻力明顯下降，有效地提升了艦載的行駛速度。
圖7超疏水表面上流動的水珠
圖8超疏水表面涂層的刀片切割水滴
從荷葉效應到超疏水結構材料的合成制備，實際上是一個仿生學研究的過程。它將生物的結構、功能和行為應用于現代工程系統和技術設計中，解決人類所遇到的科學技術問題。仿生不是對自然模型的簡單復制，而是對大自然中生物的理解、升華和具有創新價值的“重塑”。在這“重塑”的過程中，電子顯微科學技術對其發展與促進作用是十分巨大的。
