漫谈树蛙的吸附

吸附是许多动物都必需的一项基本技能。无论是永久性地在某种表面上“定居”,还是暂时性地停留来觅食、求偶或者躲避天敌,良好的吸附能力都是至关重要的。正因为如此,在漫长的进化过程中,许多动物都发展出了独特的吸附能力来适应各自的生活环境。在之前的几篇文章里,我给大家介绍了海洋贝类和壁虎的吸附本领,在这篇文章里,我们来聊一聊另外一类具有奇特吸附能力的动物——树蛙。

树蛙是两栖动物中一部分蛙类的统称。从外表上看,它们与我们经常见到的青蛙和蟾蜍相差不大,只不过这些蛙类大部分时间生活在树上,很少到地面上来,“树蛙”之称也由此而来。像我们之前提到的壁虎类似,树蛙也可以在各种高度倾斜的表面上行动自如,有些体型较小的树蛙甚至可以头朝下地呆在类似天花板这样的地方,这自然引起了科学家们的兴趣。

我们之前提到过,壁虎强大的吸附能力是由于壁虎脚趾表面的微观结构增强了壁虎脚趾与壁虎所接触表面之间的吸附力。树蛙也是靠脚趾去接触各种表面的,那么树蛙的脚趾又是什么样子呢?如果我们把树蛙的脚趾翻过来观察它与表面发生接触的那一面,我们就会发现,脚趾表面看似光滑,实际上由一个个边长几个微米的多边形组成,多边形之间被一道道又深又窄的沟槽隔开(图1)。可见,树蛙的脚趾表面也有着复杂的微观结构。但是树蛙与壁虎截然不同的地方在于,壁虎的脚趾表面是干燥的,而树蛙的脚趾始终被一层薄薄的类似水的液体覆盖,树蛙正是靠着这很薄的一层液体来保持强大的吸附能力的。有的读者可能会说,这种液体一定是类似于胶水那样非常粘稠吧?其实并不然,研究人员发现,树蛙脚趾表面的这种液体的粘性只比水高40%左右,也就是说它的流动性仍然是非常好的。[1-3]

图1 树蛙Litoriacaerulea (a) 脚趾的电子显微镜照片(b-e)。其中b,c, d为脚趾表面,e为脚趾的侧截面。引自参考文献[2].

通过水或者类似的液体来实现吸附作用虽然初听上去有些不可思议,但实际上我们在日常生活中并不难见到这种现象。比如把两块干燥的玻璃贴在一起再分开几乎不会费什么力气,但是如果把这两块玻璃用水润湿之后再贴在一起,我们就会发现把它们分开变得不那么容易,显然这是夹在两块玻璃中间的水施加了额外的力阻碍我们将两块玻璃分开。实际上,我们通常说的吸附,或者更准确讲粘附(adhesion),虽然有一些是来自于特殊的化学作用,大多数情况是来自于分子之间普遍存在的互相吸引。不仅同一种类的分子会互相吸引,不同种类的分子之间也会互相吸引。对于水或者其他低粘度的液体也是如此,当我们把它夹在两个固体表面之间时,只要这种液体不是特别排斥所接触的固体表面,液体分子与固体分子作用的结果是这层液体紧紧地拉住上下两块固体,使得他们不容易分开(图2)。只不过这种现象只在液体非常薄的时候才会变得很明显,而且液体越薄,能产生的吸附力就越大。例如有计算表明,如果两块直径为1厘米的平板之间存在5微米厚的水,这一薄层水产生的吸附力足以支撑1千克重的水。[4]对于树蛙,也有人做过类似的计算,发现如果树蛙的脚趾和树蛙接触的平面之间存在0.1微米的水,产生的吸附力是支撑树蛙身体所需要的力的100倍,看来依靠水或者其他液体来维持吸附力真的是绰绰有余。[1]

图2 夹在两个固体表面之间的液体薄层能够产生吸附力阻碍两个固体的分离。引自文献[4]

不过,虽然树蛙脚趾表面的这层液体能够提供足够的吸附力,但是树蛙脚趾上的这层液体是从哪里来的呢?我们前面提到,树蛙脚趾表面布满了许多沟槽,研究人员发现在这些深沟的内壁有许多腺体,这些腺体可以分泌液体到脚趾表面。然而这又带来一个问题:树蛙并不是呆在一个地方不动,而是要不停地行走跳跃,在不停地与新的表面发生接触的过程中,树蛙脚趾表面上的液体很容易损耗掉,而且液体还会不断挥发。树这意味着树蛙需要不停地分泌新的液体来保持脚趾的湿润,这恐怕要消耗掉很大一部分能量,对于树蛙的生存是极为不利的。

然而树蛙依靠脚趾上的微观结构完美地解决了这个问题。原来,树蛙平时将液体储存在脚趾表面的这些沟槽之中,在需要和某个表面接触的时候,液体会从这些深沟中流出来覆盖到脚趾表面上从而增强脚趾与表面之间的吸附力,而推动液体流动的,是一种被称为毛细作用的现象。很多人都有这样的体验:将一根毛细管,也就是直径只有一两个毫米甚至更小的由玻璃或者其他材料做成的管子插到一杯水中,水不仅会进入玻璃管,而且管内的液面会高于管外,这是为什么呢?毛细管的内壁本来是与空气接触的,但它更希望与水或者其他液体接触,用专业语言表述,就是管壁与液体相接触时总的能量要低于管壁与空气相接触时。所以当我们把毛细管垂直插入一杯水中的时候,毛细管内会存在一个额外的压强,这个压强能够克服水柱自身的重力使得管内的液面高于管外。更具体的理论分析会告诉我们,毛细管的直径越小,这个额外的压强就越大。管内的液面也就比管外的液面越高(图3)。如果是一根几米粗的玻璃管,管内的水面只比管外高大概0.01-0.001毫米,但是如果玻璃管的直径只有不到一个毫米,管内外的高度差可以达到几个厘米。实际上不光是竖直的毛细管,只要是尺寸足够小的孔隙,水或者其他液体都可以毫不费力地流入。

图3 由于毛细作用,管内的液面高于管外。引自文献[5]

树蛙正是巧妙利用了毛细作用。当它们的脚趾与表面没有接触的时候,脚趾上的腺体所分泌的液体就储存在遍布脚趾的这些深沟里。当脚趾与表面相接触时,二者之间看上去是直接接触了,实际上还是有非常小的缝隙,这个时候,既存在一个压强将液体保持在这些沟槽中,又存在另外一个压强促使液体流进新形成的这些缝隙里。如果缝隙的宽度小于树蛙脚趾表面上沟槽的宽度,后者的作用会更强一些,这样是液体自发地从沟槽中流出充满了这些缝隙,从而增强了树蛙脚趾与表面之间的吸附。但是缝隙的宽度并不是均一的,一旦缝隙的宽度变得与沟槽的宽度相同,毛细作用就无法继续推动液体进入这些缝隙(图4)。当树蛙需要将脚趾脱离所接触的表面时,只需要将脚趾稍稍抬起,脚趾与表面之间的缝隙会变得更宽,这样毛细作用又会推动夹在脚趾和表面之间的液体流回脚趾上的沟槽里。[1]正是依靠毛细作用,树蛙既可以凭借液体来增强脚趾的吸附力,又最大程度地减少了液体的损失。有的朋友可能会问,液体流来流去的会很费时间吧?其实不然,有研究人员做过计算,只需要不到万分之一秒的时间,液体就可以从树蛙脚趾的沟槽上流出形成0.1微米厚的液体薄层,可见这是一个非常快的过程,不会影响到树蛙的行动。事实上除了树蛙,许多昆虫也是依靠毛细作用输运自身分泌的液体。[6]

图4 液体在树蛙脚趾的沟槽和树蛙脚趾与树蛙所接触的表面所形成的缝隙之间的流动。注意若缝隙宽度大于沟槽宽度,液体将无法流入。引自文献[1]

借助液体来增强吸附力还需要面对一个很头痛的问题:水或者其他液体的存在虽然可以增强垂直于接触平面方向的吸附力,却同时大大降低了平行于平面方向的摩擦力。这和我们的日常生活中的体验很相符——许多液体都能起到很好的润滑作用。如果没有足够的摩擦力,树蛙不仅行动起来会非常困难,而且会难以停留在倾斜的表面上。然而树蛙成功的克服了这个问题,保持了一定强度的摩擦力,背后的功臣仍然是依靠脚趾表面的微观结构。研究人员发现,如果两个光滑的平面之间被液体润湿,它们之间的摩擦力会显著降低;而如果其中一个平面由于存在微观结构而变得粗糙,在加入液体润湿之后,二者之间仍然能保持一定的摩擦力。(图5)一个可能的原因是,由于微观结构的存在,即便两个平面之间相隔了一薄层液体,在某些地方这两个平面仍然可以直接接触,这样就提高了它们之间的摩擦力。[7,8]

图5 光滑表面(左)和具有微观结构的表面(右)在干燥和被液体润湿两种情况下的摩擦力的比较。引自参考文献[7]

树蛙还有一个独特的本领,就是在下雨天也可以在树上或者其他地方活动自如。雨天有什么问题呢?我们前面提到过,当两个固体平面之间间隔了一薄层液体时,液体能够提供的吸附力与它的厚度成反比,而在雨天的时候,由于大量的水的存在,树蛙脚趾和树蛙所接触的平面之间会间隔比较厚的一层水,这样吸附力就会大大降低。那么树蛙是如何解决这个问题的呢?既然水层越厚吸附力就越小,那么当务之急就是将多余的水排出去。这个时候,树蛙脚趾上的微观结构又发挥作用了,因为一部分水会由于毛细作用流进脚趾表面的沟槽里,帮助树蛙在较短时间里降低脚趾与表面之间所间隔的水层的厚度,这样吸附力就可以得到增强。计算表明,将水层的厚度从1毫米减至10微米大约只需要千分之一秒,所以即便是在瓢泼大雨中,树蛙依然可以保持一定的吸附能力。[1]

树蛙吸附的机理仍然是一个比较新的话题,研究它能够帮助我们解决现实生活中的很多问题。例如,也许我们可以仿照树蛙脚趾的微观结构改进汽车轮胎上的花纹,从而提高雨天轮胎与地面的摩擦力。可以预见,在不远的将来,这种看上去并不起眼的小动物还会带给我们更多的启发。

参考文献

[1]B. N. J. Persson, Journal of physics: Condensed Matter,2007, 19, 376110

[2] Ingo Scholz, W. Jon P. Barnes, Joanna M. Smith† andWerner Baumgartner, The Journal of Experimental Biology, 2009, 212, 155

[3] W. Federle, W. J. P. Barnes, W. Baumgartner, P.Drechsler and J. M. Smith, Journal of the Royal Society Interface, 2006, 3, 689

[4] Pierre-Gilles de Gennes, Francoise Brochard-Wyart andDavid Quere, Capillarity and Wetting Phenomena: Drops, Bubbles, Pearls, Waves,Springer, 2004

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Capillary_action

[6] Jan-Henning Dirks and Walter Federle, Journal of theRoyal Society Interface, 2006, 3, 689

[7] Michael Varenberg, and Stanislav N. Gorb, AdvancedMaterials, 2009, 21, 483

[8] Dirk-Michael Drotlef, Lukas Stepien, Michael Kappl, W.Jon P. Barnes, Hans-Jürgen Butt and Aránzazu del Campo, Advanced FunctionalMaterials, 2013, 9, 1137

更正

第六段“如果是一根几米粗的玻璃管,管内的水面只比管外高大概一个毫米”数字有误,实际上管内外的水面高度差在0.010.001毫米这个范围,已对原文做相应改正。感谢@化物子 网友指出错误。

再次就因本人疏忽造成的错误向广大读者表示诚挚的歉意。

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