毛细管浸润作用,毛细管的作用是啥

首页 > 生活 > 作者:YD1662024-05-07 17:17:46

演示湿头发聚集成缕的模型。下方为液面,上方刷子上的梳毛相互粘到了一起。

当然,弹性毛细作用并不总是会带来如此惊人的效果。我们都知道,不管什么样的材料,使之变形总是要费一番力气,像橡胶这样的材料,一旦外力消失,它们就会迅速回到原来的形状。这说明让物体变形对应着更高的能量。在弹性材料构成的毛细管中,液面的上升不但需要克服重力势能的增加,还必须应对变形造成的能量增加。如果需要固体变形的幅度太大,能量需求太高,浸润作用就会有心无力,液面的升高也就到此为止了。好比说,湿头发再聚集也不过是一缕一缕的,不可能全部头发都变形汇聚到一起。

自然界中的弹性毛细作用

也许你不觉得聚拢在一起的湿头发过于碍事,但在自然界中,弹性毛细作用有时会给生物带来大麻烦。

设想有一根细长的杆子直立在地面上,然后完全没入水中。令水面缓缓下降,直至低过杆子的顶端,那会发生什么呢?乍看起来答案很简单,当水面降得足够低时,杆子的顶端就会从水中露出来。

但如果杆子足够细长,具有充足的弹性,且能够被水浸润,情况就截然不同了。当水面下降,从水中露出的杆子顶端想要与空气接触时,焦急不安的水分子们却又舍不得杆子离开。这一次,它们的解决之道是迫使杆子的顶端弯折过来,仍然被水浸没。这同样是弹性毛细作用的体现。面对这样的结果,水分子们很开心。

但那些生长在潮湿环境中的真菌,例如裂褶菌,却为此苦恼不已。为了完成传宗接代的重任,它们需要让自己细长的菌丝从水下生长出来,穿过水面与空气接触,这样才可以将孢子传播开来。但当菌丝生长得足够长,可以穿透水面时,弹性毛细作用却会迫使它们弯曲,阻止它们与空气接触。如果对此听之任之,恐怕裂褶菌早就断子绝孙了。好在它们自有对策,那就是分泌特殊的蛋白质,降低水的表面张力,以此削弱弹性毛细作用,从而让菌丝顺利地穿过水面。如果利用基因工程手段干扰这些蛋白质的表达,裂褶菌的菌丝就很难从水下长出来。而当向水中再加入这些特殊的蛋白质时,一切又恢复正常了。

同样是释放孢子,蕨类植物却能巧妙地将弹性毛细作用当作动力。蕨类植物用于制造和储存孢子的器官被称为孢子囊,其外层分布着一段由特殊细胞所构成的环带,这些细胞的细胞壁特化增厚。在潮湿的季节里,环带细胞的内部充满水分。当天气变得干燥时,细胞中的水分挥发。为了保持水与细胞壁的接触,弹性毛细作用会迫使细胞壁向内弯曲。当多个细胞的细胞壁同时发生变形时,总的力矩的效果相当可观。环带就像收紧的弹簧一样,将原本闭合的孢子囊打开,释放出孢子(下图)。

毛细管浸润作用,毛细管的作用是啥(5)

蕨类植物利用弹性毛细作用释放孢子的原理:蕨类植物孢子囊外的环带细胞中原本充满了水(1);随着水分挥发,弹性毛细作用会使得细胞壁向内弯曲,由此产生的力矩能够打开孢子囊,将孢子释放出来(2);3为显微镜下打开的孢子囊与孢子,注意其中醒目的环带。

在动物王国中,也有不少巧妙利用弹性毛细作用的例子。例如以纤小美丽闻名的鸟类——蜂鸟,它们以花蜜为主要的食物来源。蜂鸟的舌头细长,末端分叉并形成两个C 形的凹槽。它们舌头上的凹槽就像毛细管,当其浸入花蜜时,花蜜便会通过毛细作用流进舌头供蜂鸟享用。在2010 年,研究人员还发现,当蜂鸟的舌头从花蜜中拔出来时,由于弹性毛细作用,舌头末端的凹槽会闭合起来,将花蜜完全封闭在其中(下图),这使得蜂鸟能够更高效地取食花蜜。

毛细管浸润作用,毛细管的作用是啥(6)

蜂鸟取食花蜜的过程(1 ~ 3),蜂鸟舌头末端由两个凹槽状的结构组成。当舌头从花蜜中取出时,弹性毛细作用让原本舒展的凹槽闭合,同时分开的两个凹槽相互靠近。右侧为这一过程的示意图。图中标尺为0.5 毫米。

由于生物离不开水,构成生物的材料又大多都是弹性材料,可以说,弹性毛细作用在生物界中无处不在。

​​站直喽,别趴下

就像生物有时候需要避免弹性毛细作用,有时候却要利用它一样,人类对弹性毛细作用的感情也可以说是一言难尽。

光刻技术是中美贸易争端中的重要话题,它是半导体加工等生产过程中用来制造特定微观结构的重要手段。在光刻中,我们首先会在半导体等固体材料表面涂上一薄层被称为光刻胶的特殊材料。光刻胶有个特点,那就是在遇到光照时,溶解性会发生显著变化,从溶于某种溶剂变为不溶,或者反之。因此,如果我们只对光刻胶表面的某些区域进行曝光,然后用显影液冲洗显影,就会得到一系列凹凸有致的微观结构。随后,将得到的光刻胶用清水冲洗并干燥,以其作为模板,通过特定的刻蚀手段将光刻胶中的图形转化为半导体材料上的微观结构,最终的产品就是芯片。但是,人们发现光刻胶中的微观结构有时会变形。例如,本来需要加工出一系列平行的薄壁,然而事实上很多相邻的薄壁都坍塌到了一起,这样也就无法作为模板使用了(下图2、3)。问题究竟出在哪里呢?科学家发现,这是由于在加工过程中需要用水去清洗这些结构,而这正好给了弹性毛细作用可乘之机。

毛细管浸润作用,毛细管的作用是啥(7)

光刻胶经过曝光显影后产生的微观结构,如果用纯水清洗会发生变形(2、3),但若改用水与叔丁醇1 ∶ 1 的混合物清洗则可以避免变形(1)。

在清洗过程中,水最初完全充满了薄壁之间的孔隙。但随着水分蒸发,薄壁顶端的表面开始与空气接触。这下子残存的水分子着急了:兄弟们,为了保持和薄壁的接触面积,液面高度可绝对不能降啊!可是怎样才能满足这一要求呢?当然是求助于弹性毛细作用喽。一方面,这些薄壁的宽度只有几个微米甚至更小,在这样的尺度下,即便原本刚性十足的材料也容易变形;另一方面,薄壁之间的距离也在微米范围,在这样的尺度下,毛细作用会表现得相当显著。于是,为了满足水和薄壁表面“亲密接触”的愿望,薄壁会弯曲并堆到一起,就像是成缕的头发一样。当水分挥发殆尽之后,虽然弹性毛细作用不复存在,但已经相互接触的微观结构之间往往已经建立起较强的分子间作用力,或者发生了不可逆的形变,再也无法恢复为原来的形状了。

找到了原因,我们就可以对症下药。既然用液体清洗微观结构时产生的毛细作用是造成变形的罪魁祸首,那就可以向裂褶菌学习怎么削弱它。科学家发现,用纯水清洗时会坍塌的光刻胶,换成体积比1 ∶ 1 的水与叔丁醇的混合物去清洗时则平安无恙(上图1)。这正是由于后者与光刻胶的表面能相对较高(表面张力较低),造成的毛细作用没有那么强烈。同样,如果调整固体的材质,让这些薄壁的弹性减弱,刚性增强,变形现象也不容易发生。

神奇的“微雕大师”

在光刻胶的制备中,弹性毛细作用是科学家竭力希望避免的。但如果我们逆向思考,就会发现弹性毛细作用实际上是相当有利用价值的一种现象。如何更好地利用弹性毛细作用为我们服务,目前正是科学家孜孜以求的目标。

首先站出来竭力挽留弹性毛细作用的仍然是研究光刻的科学家。读者可能会奇怪,弹性毛细作用明明是光刻中的“害群之马”,这些人的态度为什么来了个180 度大转弯呢?

在常规的光刻中,无论是最初光刻胶的曝光、显影,还是随后对半导体表面的刻蚀,加工方向都与固体表面相垂直,因此,最终得到的微观结构通常也是比较简单的线条、圆柱、薄壁等垂直于表面的结构。如果我们希望得到更加复杂的结构,比如聚拢在一起的圆柱,光刻就无能为力了。这个时候,弹性毛细作用刚好可以派上用场。我们只需要将这些通过光刻加工出的微观结构浸入特定的液体中,然后让液体挥发或者流走,弹性毛细作用就能迫使这些微观结构变形,得到丰富多样的结构。例如,同样是若干原本垂直于固体表面的圆柱,由于高度和间距不同,变形之后既可以简单聚集,也可以互相搅在一起,甚至还可能躺倒在固体表面(下图)。

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