再谈壁虎的吸附(上)

gecko

【为了解释壁虎独特的吸附能力,许多不同的假说被提了出来。然而听起来再有道理的假说也仅仅是假说,围绕着究竟哪种假说真正符合实际这一话题,科学家们展开了一系列的精彩论证。这些论证中体现出来的严谨理性的思维和科学的实验方法值得我们学习】

科普小文《壁虎的“秘密武器”》发表以后,引起了大家的关注,许多朋友在惊叹于这种常见的小动物身上展现出来的科学原理的同时,也进一步提出了一些问题。那么在今天我就继续花一些篇幅为大家介绍一下这个不仅非常有趣,而且目前在材料学等领域而且非常热门的话题。

人们很早就注意到壁虎的强大的吸附能力。为了解释壁虎所拥有的这种独特能力,科学家们提出了许多不同的假说并试图通过实验来验证。有的假说,比如认为壁虎是靠脚部分泌的胶类物质或者类似真空吸盘的结构来帮助自己停留在墙上或者天花板上,早早就被证明是错误的。然而有两种假说,由于科技水平的限制,在很长时间内一直无法得到很好的验证。这就像一场有许多支足球队参加的淘汰赛,有些球队早早就被淘汰了,然而最后剩下的两支球队一直势均力敌,谁也无法率先攻破对方的球门。

现在就让我们来了解一下在残酷的淘汰赛中一直坚持下来的这两支球队吧。其中一支球队叫做“范德华力队”,它们认为壁虎的吸附作用来自于一种叫范德华力的作用。范德华力指的是任意两个分子之间的相互作用。只要离得不是太近,两个分子之间的这种作用总是互相吸引的。当壁虎的脚趾接触到某种材料上面的时候,壁虎脚趾上的蛋白质分子就会与这种材料表面上的分子互相吸引,无数个这样的分子互相吸引的结果就是产生了宏观上的吸附力,保证壁虎不会跌落。之前我们已经提到了,一般情况下这种吸附力是很弱的,但壁虎脚趾上的微观结构使得这种吸附力大大增强,从而使得壁虎能克服自身重量轻松地行走在墙面上或者天花板上。

但是另外一支叫做“毛细作用队”的球队并不这样看。他们认为,壁虎之所以拥有强大的吸附能力是因为壁虎的脚趾和壁虎所停留的表面之间会形成一层薄薄的水分子膜。不要小看这层水膜,它能一边牢牢抓住墙面,另一头又紧紧拴住壁虎的脚趾,让壁虎安安稳稳地呆在墙面或天花板上。水分子的这种作用常常被称作“毛细作用力”,我们在日常生活中不难体会到它的存在,比如两块沾了水的玻璃很容易互相吸在一起,就是因为夹在它们之间的水分子层带来了额外的吸附力。

以上讲了这么多,可能还是会有很多朋友对其中的专业知识不了解,不过没关系,我们来看一下图1,两支“球队”的根本分歧就一目了然了:“范德华力队”认为壁虎的脚趾与壁虎停留的表面之间是直接接触,而“毛细作用队”则认为二者之间有一层薄薄的水膜。其实“范德华力队”一开始并没有怎么把“毛细作用队”放在眼里,他们甚至认为对方根本就没有上场比赛的资格。原因很简单:壁虎的脚趾上并不会分泌水或者其他粘液,壁虎经常出没的地方一般也比较干燥,也就是说,既然根本就没有水,又谈何毛细作用呢?但是“毛细作用队”反驳说,不对,即便是看上去干燥的表面,空气中的水蒸气也会凝结下来,哪怕只有很少一点的水分子,也足够让壁虎吸附在上面。[1,2]听完这番话,“范德华力队”一时拿不出什么有力的反驳,也只好同意与对方开始较量。两支球队都想把对方击败取得比赛的最终胜利,然而在很长一段时间内,由于实验手段的限制,双方谁都拿不出有力的证据支持自己反驳对方,于是比赛就一直维持0:0的僵局。

图1解释壁虎吸附作用的两种假说。左:范德华力;右:毛细作用。

到了本世纪初,这种僵局终于被打破了。在2000年的时候,研究人员利用一种精密的实验设备,成功测量出了壁虎的每一根刚毛与表面之间的吸附力。[3]研究人员进一步发现,如果认为壁虎的脚趾与壁虎接触的表面之间是范德华力,计算结果与实际得到的数据吻合的非常好。这让“范德华力队”很兴奋,他们看到了战胜对手的希望。

然而仅仅证明了实际测量结果与依据范德华力假说得到的计算结果相符并不能排除掉其他的假说,而且“毛细作用队”也给出了他们认为很有说服力的实验数据:壁虎在不同材料表面上的吸附力的大小是不同的。为什么呢?“毛细作用力队”解释说,一些被称为“亲水”的材料,空气中的水汽容易凝结到它们的表面上,壁虎在这样的表面上的吸附力就大一些;而另外一些被称为“疏水”的材料,水汽不太容易凝结在它们的表面,壁虎在这样的表面上的吸附力也就小一些。这个说法听上去确实有一定道理。“范德华力队”本来组织了一次很有威胁的进攻,没想到被对方成功化解了,队员们别提多失望了。

“范德华力队”仔细分析了“毛细作用队”提供的实验数据,突然意识到一个问题:范德华力的强度也和材料表面的性质有关系。大部分亲水的表面与壁虎脚趾之间的范德华力也比较强,而当壁虎停留在一些疏水的表面上时,不仅毛细作用力比较弱,范德华力也不是很强。这就成了一笔糊涂账,因为双方的假说都可以解释为什么壁虎在不同材料表面上的吸附力不同。

那么怎样才能解决这个问题呢? “范德华力队”的“球员”们经过反复思考,终于找到了两种合适的材料-砷化镓和二氧化硅。二氧化硅的表面比较亲水,而砷化镓的表面则是疏水的。如果吸附力的主要来源是毛细作用,那么壁虎在砷化镓表面上的吸附力要明显弱很多。而如果壁虎的吸附主要来自范德华力,根据计算,这两种材料能够提供的吸附力应该相差不多。实验结果怎么样呢?壁虎在这两种表面上的吸附力几乎相同![1]这个结果有力地证明了壁虎的吸附作用主要来源于范德华力而不是毛细作用。“范德华力队”这一次成功地攻破了“毛细作用队”的球门,以1:0领先,形势看上去一片大好。

图2 壁虎在两种不同材料表面上的吸附力的比较

然而胜利并不总是很容易就到来的。“毛细作用队”并不甘落后,而是积极寻找寻找反攻的机会。在2005年,他们也精心设计了一个实验:测量不同湿度下壁虎的吸附力。结果表明,相对湿度越大,也就是说空气中水汽含量越高,壁虎的吸附能力就越强(图3)。这个结果用范德华力很难解释,因为无论空气中的水汽含量如何变化,壁虎的脚趾始终是和同一种材料的表面直接接触。相反,如果认为壁虎的吸附来自毛细作用,这个问题可以得到比较合理的解释:湿度越大,凝结到表面上的水气也就越多,这时候壁虎脚趾与壁虎接触的表面之间的毛细作用也就越强。[2,4]毛细作用队”这次成功扳回一球,双方战成1:1平。“毛细作用队”对这个来之不易的进球还是很满意的,虽然他们的实验结果不能完全排除范德华力的因素,但是至少可以证明壁虎的吸附作用在相当程度上是来自毛细作用。

图3 壁虎的吸附力(纵轴)随相对湿度(横轴)的变化。引自参考文献[2]

本来以为胜利在望,没想到被“毛细作用队”逼平,“范德华力队”那是相当窝火和不服气。他们马上拿着“毛细作用队”的实验结果找对方理论:“你们的解释乍一听上去很有道理,其实是漏洞百出,不仅和许多理论模型对应不上,也不太符合以前类似的实验结果。比如说吧,你们观察到,即便在疏水的材料表面上,壁虎的吸附力也是随着相对湿度的增加而一直增大。可是之前的理论分析和实验都表明,在这样的材料表面上,在相对湿度增加到90%之前,水分子很难凝结下来,也就是说相对湿度低的时候在这种表面上根本几乎不存在毛细作用。还有人做过类似的实验,发现相对湿度在70%以下的时候,吸附力的大小几乎不受湿度变化的影响,这与你们的观察也不一致。你们打算如何解释这些矛盾的地方?”[5]“毛细作用队”面对对方的指责倒也不回避:“你们批评得对,其实我们自己也觉得我们的解释不大站得住脚。”但“毛细作用队”紧接着话锋一转:“可是实验结果确实摆在那里,相对湿度增加的时候壁虎的吸附能力确实在增强,既然你们认为这与毛细作用没有关系,那你们来给一个合理的解释吧?”

“范德华力队”的球员再一次陷入冥思苦想。突然有人提出来,构成壁虎脚趾的主要是蛋白质,以前就有人发现随着湿度的变化,蛋白质的机械性能也会发生变化,类似的情形会不会发生在壁虎身上呢?实验结果果然验证了他们的推测。让我们来看看图4,横坐标代表的是相对湿度,纵坐标代表了构成壁虎脚趾的这种蛋白质的机械性能,具体该如何理解纵坐标代表的物理量,因为涉及过多的专业知识,我就不详细讲了,简单地说,随着相对湿度的增大,由空心圆点组成的曲线的下降和由另外一条实心圆点组成的曲线的上升都表明这种蛋白质变得柔软了许多。研究人员随后做了进一步的分析和计算,发现蛋白质变得柔软的时候,壁虎的吸附能力确实增强了。[5,6]也就是说,仅仅从范德华力的角度出发,不需要考虑毛细作用,壁虎吸附力的大小随相对湿度的变化就可以得到很完美的解释。这次“毛细作用队”心服口服,再也拿不出新的反驳,“范德华力队”再一次突破对方防线破门成功,以2:1的比分赢得了这场比赛的胜利。

图4 构成壁虎脚趾的蛋白质的材料性能(纵轴)随相对湿度(横轴)的变化。引自参考文献[5]

围绕壁虎吸附作用的原理展开的争论,我介绍到这里了。介绍这场争论,不仅是方便大家更进一步地了解相关的知识,更希望大家能从中体会到科学精神和科学方法。需要补充说明一点的是,虽然现在大家都认为壁虎的吸附作用并不是来源于水分子的毛细作用,确实有其他的一些动物的吸附力是依靠毛细作用来实现的,今后如果有机会,我会再做一些简要的介绍。

在下篇里,我将为大家简要介绍一下科学家们是如何模仿壁虎脚趾的微观结构来开发新的材料的。

参考文献

[1] K. Autumn, M. Sitti, Y. A. Liang, A. M. Peattie, W. R. Hansen, S. Sponberg, T. W. Kenny, R. Fearing, J. N. Israelachvili, R. J. Full, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2002, 99, 12252

[2] G. Huber, H. Mantz, R. Spolenak, K. Mecke, K. Jacobs, S. N. Gorb, and E. Arzt, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2005, 102, 16293

[3] K. Autumn, Y. A. Liang, S. T. Hsieh, W. Zesch, W. P. Chan, T. W. Kenny, R. Fearing and R. J. Full, Nature, 2000, 405, 681

[4] W. Sun, P. Neuzil, T. S. Kustandi, S. Oh, and V. D. Samper, Biophysical Journal, 2005, 89, L14

[5] J. B. Puthoff, M. S. Prowse, M. Wilkinson and K. Autumn, The Journal of Experimental Biology, 2010, 213, 3699

[6] B. Chen, H. Cao, International Journal of Applied Mechanics, 2010, 2, 1

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