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小型水生昆蟲水黽被喻為“池塘中的溜冰者”，因?yàn)樗粌H能在水面上滑行，而且還會(huì)像溜冰運(yùn)動(dòng)員一樣能在水面上優(yōu)雅地跳躍和玩耍。它的高明之處是，既不會(huì)劃破水面，也不會(huì)浸濕自己的腿。水黽是如何練就如此水上絕技的？

對(duì)此，科學(xué)界一直有各種解釋。一種解釋是水表面的張力，還有的解釋是水黽的腿會(huì)分泌油脂。近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員江雷和博士生高雪峰在英國《自然》雜志上發(fā)表論文，揭開了水黽“水上輕功”的奧秘。該發(fā)現(xiàn)可望在不遠(yuǎn)的將來設(shè)計(jì)出新型微型水上交通工具，如無舷船舶。該發(fā)現(xiàn)還可用于新型防水紡織品的生產(chǎn)，甚至人類的水上行走都成為可能。

水黽是一種在湖水、池塘、水田和濕地中常見的小型水生昆蟲，身長大約1厘米，可在水面滑行。它有6條細(xì)長的腿，足上有纖毛。為什么水黽能在水上行走？一般教科書的解釋是水表面的張力。

教科書的解釋是錯(cuò)誤的

能夠在水面上自由行走的水黽

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，這是由于水表面張力的作用。水滴之所以能變成圓球形，也是由于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。液體表面層由于跟空氣接觸，與液體內(nèi)部情況有所不同。表面層里分子的分布要比液體的稀疏些，也就是分子間的距離比液體內(nèi)部的大一些。在液體內(nèi)部，分子間的引力基本上等于斥力；在表面層中，由于分子間的距離比液體內(nèi)部大，分子間的相互作用表現(xiàn)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，液體表面有收縮到小的趨勢(shì)。

水黽屬于水生半翅目類昆蟲，水黽的種類不同，大小也不一樣，一只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(shí)，不會(huì)沉入水中。此外，水黽足的附節(jié)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(huì)下凹，但它的足尖不會(huì)沖破表面張力。水黽長有三對(duì)足，三對(duì)足的分工也很明確，前足用來捕食，中足用來劃分和跳躍，后足用來在水面滑行，這樣它就可以在水面上自由自在的行動(dòng)了。但是，如果往水里加一點(diǎn)中性洗滌劑，就會(huì)削弱水的表面張力，這時(shí)，走在水面的水黽足上的毛被沾濕，足沖破了表面張力而穿入水中，水黽就會(huì)沉入水中，當(dāng)水黽沉下去后，由于表面張力的作用，水黽就再也浮不上來了。

一般教科書都這樣解釋這個(gè)問題。一年前，美國麻省理工學(xué)院的數(shù)學(xué)家約翰·*和同事就發(fā)現(xiàn)水黽的腿就像槳一樣在水中滑行，從而讓它能夠快速地飛奔，該研究小組的成員戴維德·胡說，腿不被弄濕是關(guān)鍵，這樣可避免水黽在滑行時(shí)浸入水中，如果它們不小心被水淹沒，它們必須用十倍于身體的力量才能浮出水面。事實(shí)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(fēng)雨的襲擊中也能生存這樣一個(gè)事實(shí)。而且水黽還會(huì)彈跳，彈跳時(shí)它們的腿腳為什么不會(huì)濕？為什么不會(huì)刺破水表面的張力？

會(huì)不會(huì)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，再加上水表面的張力，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(gè)人工的水黽腿，并在上面涂了一層蠟。這條腿能夠讓水黽在水面上靜止一會(huì)兒，但卻不能經(jīng)得起水的波動(dòng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，水黽的腿能排開300倍于其身體體積的水量，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倍于身體的重量而不會(huì)沉沒。而油脂層和水表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倍于身體長度的距離，這相當(dāng)于一位身高1．8米的人以每小時(shí)400英里的速度游泳。

水黽腿部特殊的微納米結(jié)構(gòu)才是真正原因

江雷的研究小組在高倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。

人的頭發(fā)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(jié)構(gòu)的構(gòu)槽，吸附在構(gòu)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(huì)將腿弄濕。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(zhì)稱為超疏水性。

水黽是利用其腿部特殊的微納米結(jié)構(gòu)，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(nèi)，在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性。正是這種*的負(fù)載能力使得水黽在水面上行動(dòng)自如，即使在狂風(fēng)暴雨和急速流動(dòng)的水流中也不會(huì)沉沒。

江雷說，水黽腿部剛毛的疏水性類似于鴨子背部的毛，但是，普遍的疏水性（或抗水性）也許會(huì)讓昆蟲在水面上呆一會(huì)兒，輕微的觸動(dòng)或擾動(dòng)就會(huì)打破這種平衡。

然而，在水黽腿部和水面間形成的空氣墊卻讓它們?cè)谒嫔峡焖俣€(wěn)定地行走或奔跑。他說，像鴨子一樣，其它動(dòng)物也擁有這種疏水的特性，但絕大多數(shù)都沒有超級(jí)疏水特性。

該研究成果將用于新型水上交通工具

研究者認(rèn)為，通過對(duì)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(duì)水表面張力、流體阻力的影響規(guī)律及水黽之所以能在水面上自由行走的內(nèi)在原因，還可望在不遠(yuǎn)的將來設(shè)計(jì)出新型微型水上交通工具，如無舷船舶。

除此而外，該發(fā)現(xiàn)可用于新型防水紡織品的生產(chǎn)，甚至人類的水上行走都成為可能。