水,是地球的生命之源。即便是在科技如此發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì),人類(lèi)依舊面臨著嚴(yán)峻的淡水危機(jī)。2022年的發(fā)布的《聯(lián)合國(guó)世界水發(fā)展報(bào)告》指出,全球約2/5的人口缺少生活用水,近40億人在一年中至少有一個(gè)月面臨嚴(yán)重缺水,21億人被迫飲用污染水。
小小的水分子,卻維系著整個(gè)大自然的生存。尤其是在地球上干旱最為嚴(yán)重的沙漠地帶,如何高效率地利用僅有的淡水資源尤為關(guān)鍵。而在納米布沙漠里活躍了千萬(wàn)年的小甲蟲(chóng),在大自然“物競(jìng)天擇,適者生存”層層篩選下,進(jìn)化出了高效率、低能耗的特殊的汲水能力,而這種能力成功幫助他們適應(yīng)了沙漠中極度缺水的環(huán)境,讓這一物種得以代代延續(xù)。
位于非洲的納米布沙漠占地面積達(dá)50,000平方公里,是世界上最古老的沙漠之一,干旱和半干旱的氣候已持續(xù)了最少8千萬(wàn)年,其最高溫度可達(dá)60℃以上,每年的降雨量不到10毫米,幾乎成為了生命的禁區(qū)。但是大自然就是這么奇妙,在這樣一片寸草不生的沙漠中,竟然還有生命存在。納米布沙漠甲蟲(chóng)是生命適應(yīng)地球自然環(huán)境的奇妙代表。
納米布沙漠甲蟲(chóng)屬于有翅亞綱,鞘翅目,一般為黑色或暗褐色。它們身體長(zhǎng)約2厘米,扁平而堅(jiān)硬,它們的頭很小,背上有堅(jiān)硬的翅膀,叫做鞘翅。鞘翅很大,可以將整個(gè)身體的后部蓋住。而它適應(yīng)極端干旱環(huán)境的秘訣,就藏在它背上這大大的鞘翅里。
通過(guò)顯微鏡可以清楚地看到,鞘翅表面布滿了密密麻麻的凸起(圖片),這些“麻點(diǎn)”呈近距離任意分布,每一個(gè)“麻點(diǎn)”的平均直徑為0.5毫米,高約有幾百微米,“麻點(diǎn)”之間的平均距離為0.5到1.5毫米。每個(gè)“麻點(diǎn)”就像一座山峰,“麻點(diǎn)”與“麻點(diǎn)”之間的就像山谷。山峰與山谷在顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)是不同的,也表現(xiàn)出對(duì)液體不同的性質(zhì)。
通過(guò)特殊的染色手段,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在山谷區(qū)域覆蓋著一層蠟狀外衣,在顯微鏡下觀察,它的微觀結(jié)構(gòu)是由扁平半球規(guī)則排列形成的,半球直徑約為10毫米。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)似于荷葉表面,表現(xiàn)出疏水性,即對(duì)水排斥的物理性質(zhì)。
那什么叫做“疏水性”呢?這里就需要首先了解一下表面張力的概念了。表面張力主要是因?yàn)楸砻鎯蓚?cè)分子間作用力不同引起的,通俗來(lái)講,就是液體表面分子組成了一層薄膜,由于表面張力的作用,這層薄膜會(huì)產(chǎn)生繃緊的趨勢(shì),這種趨勢(shì)會(huì)使薄膜的表面積盡可能地減小,所以我們才會(huì)觀察到露珠的形狀更接近于圓形,這是因?yàn)樵谫|(zhì)量一定的前提下球形的表面積最小。當(dāng)液滴在接觸面的形態(tài)越接近于球形,則說(shuō)明接觸面的“疏水性”越強(qiáng),反之則說(shuō)明其“親水性”越強(qiáng)。
回到沙漠甲蟲(chóng)的鞘翅表面,由于山谷區(qū)域覆蓋著疏水性強(qiáng)的蠟狀外衣,讓水滴難以在表面停留,而在山峰區(qū)域卻沒(méi)有覆蓋這種物質(zhì),表面光滑,呈現(xiàn)出與山谷截然相反的親水性,容易被水潤(rùn)濕。正是由于同時(shí)存在著“疏水”和“親水”兩種截然不同的結(jié)構(gòu),讓它練就了在茫茫沙漠里“憑空取水”的絕技。
當(dāng)然,天時(shí)地利的因素也是關(guān)鍵,在這里不得不提到納米布沙漠獨(dú)特的地理特征,由于晝夜溫差大,氣壓變化頻繁,海中的濕熱浪掠過(guò)本格拉寒流沖向沙漠時(shí),濕熱空氣遇冷凝成霧,造成了納米布沙漠成為世界上霧最多的沙漠。(而沙漠甲蟲(chóng)就是充分利用這個(gè)機(jī)會(huì),每當(dāng)清晨霧氣最濃的時(shí)候,它們就會(huì)在霧中頭朝下,背對(duì)著風(fēng),用親水性山峰從霧氣中吸附水分,漸漸形成水滴。積累到了一定程度,水滴就會(huì)毫不費(fèi)力地沿著疏水性山谷滑動(dòng),流向甲蟲(chóng)的嘴巴。科學(xué)家通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),如果氣溫、濕度以及甲蟲(chóng)的體溫都特別合適的話,甲蟲(chóng)在一個(gè)早晨就能喝到相當(dāng)于它們體重40%的水。
過(guò)去,在沙漠和其他干旱地區(qū),從空氣里收集水的系統(tǒng)由于需要運(yùn)轉(zhuǎn)冷凝設(shè)備而耗電巨大,在納米布沙漠甲蟲(chóng)的啟發(fā)下,科學(xué)家研制出一種納米材料涂層,并應(yīng)用于沙漠集水器設(shè)備中,使得人們可以從霧或露水中吸收水份來(lái)飲用而無(wú)需再借助冷凝設(shè)備。
這種特殊的涂層材料表面就類(lèi)似沙漠甲蟲(chóng)的鞘翅,科學(xué)家通過(guò)將聚四氟乙烯納米粒子沉積在超疏水銅網(wǎng)上模仿沙漠甲蟲(chóng)鞘翅表面的麻點(diǎn)紋理,并與親水銅片結(jié)合形成混合表面,霧氣中微小的水滴通過(guò)親水表面得以聚集,疏水表面又能夠及時(shí)讓聚集形成的大水滴滑落,從而實(shí)現(xiàn)水的收集。
科學(xué)家效仿這一特殊功能,開(kāi)發(fā)了一系列汲水裝置,如汲水屋頂瓦片,汲水特制帳篷、自動(dòng)蓄水水壺等,極大地緩解缺水地區(qū)的淡水獲取問(wèn)題,作為飲用水生產(chǎn)方式的重要補(bǔ)充,為人類(lèi)提供更多清潔、可靠的飲用水源。
本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品
團(tuán)隊(duì)名稱:中科幻彩
審核:周曉亮
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