防水材料最怕什么物质 雨水为啥打不湿蝴蝶翅膀

落花人独立,微雨“蝶”双飞。

下雨天大多数蝴蝶都躲在树叶下避雨,但长着一双炫丽翅膀的蓝闪蝶却会在雨中飞翔。

防水材料最怕什么物质 雨水为啥打不湿蝴蝶翅膀(1)

落到你头上的雨点微不足道,但同样一滴雨,落到蝴蝶身上却能造成巨大的伤害。常见的蓝闪蝶平均体重为2~3克,而雨滴的平均重量是70毫克一滴雨水落到蓝闪蝶的翅膀上,相当于一个保龄球那么重的水球砸在你的身上。

蓝闪蝶为什么能抵抗住沉重的水球冲击,在雨滴中翩翩起舞呢?这个问题的答案藏在蝴蝶翅膀上面,那一颗颗像灰尘一样的鳞片里。

防水材料最怕什么物质 雨水为啥打不湿蝴蝶翅膀(2)

蓝闪蝶是蝴蝶界里的大个头,个头最大的蓝闪蝶铺开翅膀后,宽度达到20厘米,能覆盖住你的整个手掌。它的翅膀上有百万颗微小的鳞片,这些鳞片不仅给蝴蝶调配出一对,会变色会闪光的梦幻翅膀,还给蝴蝶编织出一件,世界上防水能力最强的高科技雨衣。

蓝闪蝶的学名叫Morpho,跟希腊神话中,象征爱与美的女神阿芙洛狄蒂同名。蓝闪蝶是世界上最美丽的蝴蝶,也是最会变色的蝴蝶,每次在阳光里扇动一下翅膀,就能变换一种颜色,不仅能变幻出深深浅浅的蓝色,还能变成绿色、紫色,闪烁着金属般的光泽。梦幻蝴蝶的翅膀闪亮耀眼,滑翔机上的飞行员,在低空飞行时,甚至能看见1公里以外的蓝色蝴蝶。

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神奇的是,为蝴蝶调配出各种颜色的鳞片,本身却是透明无色的。扫落翅膀上的鳞片,碾压成更细小的微粒后,你会看见蓝色的鳞片变成一堆透明无色的粉末,碾碎后的粉末再也变幻不出多彩的颜色。原来翅膀上美丽的蓝色不是色素的色彩,而是结构的色彩,由鳞片上纳米级的结构形成,光线照射在鳞片上的角度不同,会折射出不同的颜色。一旦破坏了鳞片的结构,它也失去了折射色彩的能力。

更厉害的是,鳞片上微小的纳米结构,不仅有调配色彩的魔力,还有最高超的防水能力。

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放大蝴蝶的翅膀,可以看见鳞片的细节。鳞片并不是随意粘贴在翅膀上,而是像树叶一样长在翅膀上。一排排的鳞片整整齐齐地叠加排列,跟屋顶的瓦片一样,按照前后顺序覆盖住整个翅膀。蝴蝶的鳞片比屋顶瓦片要精致得多,它根本不会吸水,雨水浇不湿鳞片。

接着放大细节,你会看见鳞片表面并不光滑,上面有一条条凸起的细线。粗糙表面像一个齿轮,凸起的细线是齿轮上的齿牙,纳米级的齿牙直径还不到头发丝的1‰。

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一滴雨水落到鳞片上,比针头还细的齿牙,会像扎破气球一样扎破雨滴,把它分解成很多小水滴。虽然一滴雨水的重量类似砸在脑袋上的保龄球,但扎破分解后的小水滴,大大减轻了雨水对翅膀的冲击力。翅膀上的小水滴只能接触到鳞片齿牙上的齿尖部分,然后会顺着齿轮排列的方向滚落。鳞片的齿轮结构不仅最大程度地减少了翅膀跟雨水的接触面,还形成了引导坡度,让水滴只会顺着一个方向滚动,快速滚落翅膀的边缘。简单地说,雨点打在蓝闪蝶的身上,只会跟它擦肩而过,而不会淋湿蝴蝶。这套不会湿身的绝技,赋予了蓝闪蝶冒雨前进的勇气。

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自然界里,我们最熟悉的防水材料是荷叶。雨水滴落在荷叶上,只会滚来滚去,滚成一个大水球,却始终不能淋湿荷叶。荷叶不会吸水的特性,跟蝴蝶不会湿身的天赋类似。荷叶叶面上也有一层纳米级别的小柱子,雨水只是落在柱子的顶端,大大减少了水滴跟叶面的接触面积。不过,同样是防水材料,蝴蝶比荷叶更强悍。

来看图片对比,左边是吸水材料,中间是类似荷叶的防水材料,右边是类似鳞片的防水材料。一滴水落在防水材料上会产生反弹,被材料分解成小水滴的反弹速度,比整个大水滴的反弹速度要快一倍,也就是说,分解成小水滴后,水接触到材料的时间更短。

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水滴在材料表面上的停留时间越短,越不容易淋湿材料。揭开了蓝闪蝶翅膀比荷叶更加防水的秘密之后,麻省理工学院团队,研制出迄今为止,世界上最防水的材料。

团队在铝铜合金的表面,仿照蝴蝶鳞片上的齿轮样式,刻画出纳米级别的防水结构。雨水落到金属表面上的排水速度,比落到荷叶上要快40%。比荷叶更防水的金属材料,用来制造飞机真是太完美了。

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海拔7000米以下的对流层,时常分布着零度以下的过冷水滴,过冷水滴撞击到飞机上,会迅速冻结成冰。厚实的冰层冻结在飞机机翼上,会改变机翼形状,减少飞行升力,增加飞行阻力,甚至会造成严重的飞行事故。航空界把飞机结冰列为,影响飞行的6大气象因素之一。

但是如果用防水新材料制造飞机,再也不用担心机翼结冰的隐患了。过冷水滴刚刚蹭到飞机外壳,还没来得及结冰,就会滚落下去。穿越云层的飞机,就像在雨中飞行的蝴蝶,漫步在万千雨丝之中,却滴水不沾,不会湿身也不怕结冰。

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以前设计的防水材料,大多数都像给汽车打蜡一样,涂抹一层防水涂层,经不住磨损或是高温的考验。现在把防水结构直接刻画在材料表面,大大增强了材料的耐用性。防水结构的应用范围很广,比如刻画在风力发电机的涡轮叶片上,可以显著提高发电效率。另外,防水结构还能用在纺织面料上,做出超级防水的帐篷、冲锋衣,还有医护工作者的防护服。

还是那句老话,自然界一直走在我们的前面。哪怕是一只弱不禁风的蝴蝶,也有一双高科技的翅膀,引领我们制造出世界上最防水的材料。

好了,蓝闪蝶的秘密先聊到这儿。

关注法兰西is培根,为你讲解自然界的秘密,下期见。

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