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,人類依舊面臨著嚴(yán)峻的淡水危機。2022年的發(fā)布的《聯(lián)合國世界水發(fā)展報告》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月面臨嚴(yán)重缺水,21億人被迫飲用污染水。
(資料圖片)
小小的水分子,卻維系著整個大自然的生存。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年的小甲蟲,在大自然“物競天擇,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。
納米布沙漠甲蟲屬于有翅亞綱,鞘翅目,一般為黑色或暗褐色。它們身體長約2厘米,扁平而堅硬,它們的頭很小,背上有堅硬的翅膀,叫做鞘翅。鞘翅很大,可以將整個身體的后部蓋住。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”呈近距離任意分布,每一個“麻點”的平均直徑為0.5毫米,高約有幾百微米,“麻點”之間的平均距離為0.5到1.5毫米。每個“麻點”就像一座山峰,“麻點”與“麻點”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)出對液體不同的性質(zhì)。
通過特殊的染色手段,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)類似于荷葉表面,表現(xiàn)出疏水性,即對水排斥的物理性質(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。表面張力主要是因為表面兩側(cè)分子間作用力不同引起的,通俗來講,就是液體表面分子組成了一層薄膜,由于表面張力的作用,這層薄膜會產(chǎn)生繃緊的趨勢,這種趨勢會使薄膜的表面積盡可能地減小,所以我們才會觀察到露珠的形狀更接近于圓形,這是因為在質(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,則說明接觸面的“疏水性”越強,反之則說明其“親水性”越強。
回到沙漠甲蟲的鞘翅表面,由于山谷區(qū)域覆蓋著疏水性強的蠟狀外衣,讓水滴難以在表面停留,而在山峰區(qū)域卻沒有覆蓋這種物質(zhì),表面光滑,呈現(xiàn)出與山谷截然相反的親水性,容易被水潤濕。正是由于同時存在著“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,天時地利的因素也是關(guān)鍵,在這里不得不提到納米布沙漠獨特的地理特征,由于晝夜溫差大,氣壓變化頻繁,海中的濕熱浪掠過本格拉寒流沖向沙漠時,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。(而沙漠甲蟲就是充分利用這個機會,每當(dāng)清晨霧氣最濃的時候,它們就會在霧中頭朝下,背對著風(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,水滴就會毫不費力地沿著疏水性山谷滑動,流向甲蟲的嘴巴??茖W(xué)家通過觀測發(fā)現(xiàn),如果氣溫、濕度以及甲蟲的體溫都特別合適的話,甲蟲在一個早晨就能喝到相當(dāng)于它們體重40%的水。
過去,在沙漠和其他干旱地區(qū),從空氣里收集水的系統(tǒng)由于需要運轉(zhuǎn)冷凝設(shè)備而耗電巨大,在納米布沙漠甲蟲的啟發(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飲用而無需再借助冷凝設(shè)備。
這種特殊的涂層材料表面就類似沙漠甲蟲的鞘翅,科學(xué)家通過將聚四氟乙烯納米粒子沉積在超疏水銅網(wǎng)上模仿沙漠甲蟲鞘翅表面的麻點紋理,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親水表面得以聚集,疏水表面又能夠及時讓聚集形成的大水滴滑落,從而實現(xiàn)水的收集。
科學(xué)家效仿這一特殊功能,開發(fā)了一系列汲水裝置,如汲水屋頂瓦片,汲水特制帳篷、自動蓄水水壺等,極大地緩解缺水地區(qū)的淡水獲取問題,作為飲用水生產(chǎn)方式的重要補充,為人類提供更多清潔、可靠的飲用水源。
本文為科普中國·星空計劃扶持作品
團(tuán)隊名稱:中科幻彩
審核:周曉亮
出品:中國科協(xié)科普部
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