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能夠在水面上自由行走的水黽

    小型水生昆蟲水黽被喻為“池塘中的溜冰者”，因為它不僅能在水面上滑行，而且還會像溜冰運動員一樣能在水面上優雅地跳躍和玩耍。它的高明之處是，既不會劃破水面，也不會浸溼自己的腿。水黽是如何練就如此水上絕技？

    對此，科學界一直有各種解釋。一種解釋是水錶面的張力，還有的解釋是它們的腿會分泌油脂。近日，中國科學院化學研究所研究員江雷和博士生高雪峰在11月4日出版的英國《自然》雜誌上發表論文，揭開了水黽“水上輕功”的奧秘。該發現可望在不遠的將來設計出新型微型水上交通工具，如無舷船舶。該發現還可用於新型防水紡織品的生產，甚至人類的水上行走都成為可能。

    水黽(mian)是一種在湖水、池塘、水田和溼地中常見的小型水生昆蟲，身長大約1釐米，可在水面劃行。它有6條細長的腿，足上有纖毛。為什麼水黽能在水上行走？一般教科書的解釋是水錶面的張力。

教科書的解釋是錯誤的

    比如，一分錢的硬幣重約一克，比重比水大，可是把它輕輕放在水面上，硬幣卻能漂浮，這是由於水錶面張力的作用。水滴之所以能變成圓球形，也是由於表面張力作用的緣故。

    水的表面有一層膜叫表面層。它處在氣體與液體之間。液體表面層由於跟空氣接觸，與液體內部情況有所不同。表面層裏分子的分佈要比液體的稀疏些，也就是分子間的距離比液體內部的大一些。在液體內部，分子間的引力基本上等於斥力；在表面層中，由於分子間的距離比液體內部大，分子間的相互作用表現為引力。這種液體各部分間相互吸引的力，叫表面張力。在表面張力的作用下，液體表面有收縮到最小的趨勢。  

 水黽腿的掃描電鏡SEM照片(a)水黽腿的無數細長微剛毛(b)單根剛毛上的精細螺旋狀的納米凹槽結構

 水滴的表面張力有多大呢？可以這樣說，比水滴小的蟲子，它是不能衝破表面張力而鑽入水滴中去的。

    水黽屬於水生半翅目類昆蟲，水黽的種類不同，大小也不一樣，一隻中等大小的水黽重約30毫克，比水輕，所以，它在水面上行走時，不會沉入水中。此外，水黽足的附節上，生長著一排排不沾水的毛，所以，與足接觸的那部分水面會下凹，但它的足尖不會衝破表面張力。水黽長有三對足，三對足的分工也很明確，前足用來捕食，中足用來劃分和跳躍，後足用來在水面滑行，這樣它就可以在水面上自由自在的行動了。但是，如果往水里加一點中性洗滌劑，就會削弱水的表面張力，這時，走在水面的水黽足上的毛被沾溼，足衝破了表面張力而穿入水中，水黽就會沉入水中，當水黽沉下去後，由於表面張力的作用，水黽就再也浮不上來了。

    蟲腿在刺穿水面前的最深水窩側面圖,接觸角167.6±4.4°

    一般教科書都這樣解釋這個問題。一年前，美國麻省理工學院的數學家約翰.布希和同事就發現水黽的腿就像槳一樣在水中劃行，從而讓它能夠快速地飛奔，該研究小組的成員戴維德.胡說，腿不被弄溼是關鍵，這樣可避免水黽在劃行時浸入水中，如果它們不小心被水淹沒，它們必須用十倍於身體的力量才能浮出水面。事實果真是這樣嗎？這種解釋似乎看起來很有道理，但卻無法解釋水黽即使是在暴風雨的襲擊中也能生存這樣一個事實。而且水黽還會彈跳，彈跳時它們的腿腳為什麼不會溼？為什麼不會刺破水錶面的張力？

    會不會是它們的腿分泌油脂？

    我們都知道，油脂可以浮在水面上，如果水黽的腿腳能分泌油脂，再加上水錶面的張力，水黽不就浮在了水面上了嗎？

    為了證明油脂層和水面張力不是水黽在水面上行走的主要因素，江雷等人做了一個人工的水黽腿，並在上面涂了一層蠟。這條腿能夠讓水黽在水面上靜止一會兒，但卻不能經得起水的波動。

    研究人員發現，水黽的腿能排開300倍於其身體體積的水量，這就是這種昆蟲非凡浮力的原因。江雷和同事說，水黽的一條長腿就能在水面上支撐起15倍於身體的重量而不會沉沒。而油脂層和水錶面的張力卻沒有如此大的浮力。

    水黽以極快的速度在水面上滑行以捕捉獵物。它在水面上每秒鐘可滑行100倍於身體長度的距離，這相當於一位身高1.8米的人以每小時400英里的速度游泳。

    水黽腿部特殊的微納米結構才是真正原因

    江雷領導的研究小組在高倍顯微鏡下發現，水黽腿部上有數千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。

    人的頭髮的直徑大約在80-100微米之間，而這些像針一樣的微米剛毛的直徑不足3微米，表面上形成螺旋狀納米結構的構槽，吸附在構槽中的氣泡形成氣墊，從而讓水黽能夠在水面上自由地穿梭滑行，卻不會將腿弄溼。水黽的多毛腿一次能夠在上面劃出4毫米長的波紋。研究人員將水黽毛腿的這種性質稱為超疏水性。

    水黽是利用其腿部特殊的微納米結構，將空氣有效地吸附在這些同一取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內，在其表面形成一層穩定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤，宏觀上表現出水黽腿的超疏水特性。正是這種超強的負載能力使得水黽在水面上行動自如，即使在狂風暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒。

    江雷說，水黽腿部剛毛的疏水性類似於鴨子背部的毛，但是，普遍的疏水性（或抗水性）也許會讓昆蟲在水面上呆一會兒，輕微的觸動或擾動就會打破這種平衡。 http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/www.ha.xinhuanet.com/fuwu/kejiao/2005-02/05/content_3694038.htm

    然而，在水黽腿部和水面間形成的空氣墊卻讓它們在水面上快速而穩定地行走或奔跑。他說，像鴨子一樣，其他動物也擁有這種疏水的特性，但絕大多數都沒有超級疏水特性

    該研究成果將用於新型水上交通工具

    研究者認為，透過對水黽納米剛毛的疏水性能研究，不僅可以探索到納米剛毛對水錶面張力、流體阻力的影響規律及水黽之所以能在水面上自由行走的內在原因，還可望在不遠的將來設計出新型微型水上交通工具，如無舷船舶。

    除此而外，該發現可用於新型防水紡織品的生產，甚至人類的水上行走都成為可能