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

弹性毛细作用可以使得光刻得到的圆柱结构发生聚集,从而形成各种复杂的微观结构。电子显微镜下可以看到参与聚集的圆柱数目不等,分别为3 根(1 ~ 2)、4 根(3 ~ 4)、6 根(5)、9 根(6)和25 根(7 ~ 8)。图中标尺为10 微米。

用弹性毛细作用制造这些复杂的微观结构,并非为了抓人眼球的视觉效果,更重要的是它们有很多潜在的应用价值。例如,在2009 年的一项研究中,科学家首先在高分子材料表面加工出一系列直径和间距都只有一两个微米,高度不超过10 微米的圆柱,再通过弹性毛细作用令原本垂直的圆柱相互聚拢。他们发现,变形后的圆柱由于对光线强烈的散射作用,因此呈现出柔和的白色(下图)。目前,我们所使用的白色涂料通常依赖于二氧化钛等矿物,而且需要涂上相当厚的涂层。这项研究或许可以提供更加经济环保的产生白色的手段。相反,变形前的圆柱由于会让特定波长的可见光发生干涉,因此呈现出鲜艳的色彩。这个例子很好地告诉我们,不同的微观结构,其性质可以有天壤之别。

毛细管浸润作用,毛细管的作用是啥(9)

垂直排列的微米尺度的高分子圆柱,由于对特定可见光的干涉作用,能够让表面呈现特定的颜色(左)。圆柱由于弹性毛细作用而倒塌聚集后,由于对所有波长的可见光的散射,表面呈现出白色(右)。

另一个利用弹性毛细作用来控制微观结构的例子来自于碳纳米管。碳纳米管由于良好的导电性,被认为有望在未来的电子产品中大显身手。目前制造碳纳米管经常采用化学气相沉积手段,让一根根的碳纳米管从固体表面“生长”出来。与光刻的效果类似,这样得到的碳纳米管也是垂直于固体表面的,覆盖密度不高,因此导电能力不尽人意。但如果利用弹性毛细作用将生长出来的碳纳米管“放倒”在固体表面,提高了碳纳米管的密度,导电能力也就自然会随之提升。

独特的折纸游戏

此前,我们曾经一同领略过用DNA 来折纸的魅力。其实,弹性毛细现象也能够做到类似的事情。

如果我们将液体滴到事先裁剪好的薄膜中央,便会惊奇地发现,原本水平的薄膜可能会弯曲甚至折叠起来将液滴包裹。这就是毛细折纸(下图)。

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通过毛细折纸,将平面图形变成立体图形。

弹性毛细作用是如何折纸的呢?在前面的介绍中,我们提到了浸润性,它指液体能够在固体表面铺展,取代原先与固体接触的空气。但反过来想,如果固体有足够的弹性,那么双方完全可以选择另外一条途径,那就是液体保持球形不动,固体发生形变将液滴包裹,从而同样减少了固体与空气界面的接触面积。也就是说,毛细折纸也是弹性毛细作用的体现。

如果我们去买纸箱的话,会发现商家并不直接出售现成的纸箱,而是把裁剪好的纸板摞在一起,供我们买回家后自行折叠。这样,哪怕我们一口气买上几十个纸箱,也不必担心占用太多的储存空间。这个简单的例子却蕴含着深刻的道理,那就是二维物体的储存和运输要比三维物体容易得多,同时通过简单的折叠,我们又可以很方便地把二维物体转化为三维物体。因此,科学家们希望在新材料和新技术的开发中借鉴折纸这门古老的艺术。不过,他们并不满足于操作者手动折叠,而是提出了“自折纸”的概念,即希望平面结构在遇到某些外部刺激时,能够自发地转变成立体结构。

毫无疑问,自折纸能够为我们带来极大的便利。在一些不方便直接投放三维物体的场合,例如交通困难的边远地区、远离地球的空间站中,甚至是人体的内部,输送二维物体可能相对没有那么困难。因此,我们可以先把它们派过去,然后通过自折纸转化为三维物体来完成任务。另外,由于二维物体的加工往往也比三维物体简便,或许在未来的生产线上,我们可以先加工出特定的平板结构,然后再让它们自动“变形”成更复杂的立体结构,从而节约生产成本。作为自折纸可能的实现途径之一,毛细折纸无疑具有极大的发展潜力。

2010 年,研究人员就曾经将毛细折纸应用于太阳能电池的开发。传统的基于硅的太阳能电池能够达到较高的能源转换效率,但缺点是比较笨重,生产成本也高。如果将大块的硅改用硅的薄膜替代,太阳能电池的重量和成本都将显著下降。不过,由于硅的厚度下降,光在其中的传播距离也变小了,因此,太阳能电池的能源转换效率也随之下降。研究人员发现,利用毛细折纸将硅薄膜卷成立体结构,光在其中传播时便会经历更多的反射,如此就可增加其被硅吸收的几率。另外,相对于薄膜,立体结构能够更好地吸收从各个方向照射过来的阳光,这都导致太阳能电池的效率有了显著的提升。你看,弹性毛细现象又立了一功呢。

怎么样,弹性毛细作用虽然听起来陌生,但你一定发现了它是相当重要的一种现象。相信随着我们对于弹性毛细作用的认识的不断深入,它还会为我们的生活带来更多绚丽的色彩。

​​​​(完)

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