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To infinity and Beyond

Sticky
2024/07/06
这本书我就在图书馆随手拿的,没想到这么好看。在我心里可抵Stuff matters了。之前已经因为这本书一脚滑出去写了一篇八卦,现在回来讲讲这本书。这本书是讲surface science,我查了一下,居然还是个专门学科,不能完全算material science,有物理化学和工程的部分,还有仿生学,很有意思的一个科目。开篇即是一张网路流传的工程师搞笑图。

然后书里每一章讲一个主题,比如有一章讲To stick or not to stick。首先提到的是油漆。在她讲起油漆之前,我从来没想过这个东西是怎么work的。它需要能够让亲水的color pigments在溶液里均匀的分布,又能有黏性的一头可以让pigments在水分蒸发后,均匀的粘在需要刷漆的表面上,所以好的油漆,关键的部分就在于这个粘的部分的调配。讲完了粘的重要性,这章又开始讲不沾的Teflon:如何发明的(不是nasa的太空探索,而是在曼哈顿项目里做防腐蚀容表面处理的),以及另一个我从来没想过的问题:Teflon什么都不沾,那我们是怎么让Teflon粘在锅的表面的呢?

有一章专讲壁虎是如何在各种表面行走的。我很喜欢的一个科普博主Veritasium出过一期节目讲这个,强烈推荐: m.youtube.com/watch?v=vS0TuIPo
书里讲得更深一点,更有趣的是作者又问了个问题:把壁虎放在Teflon上,它能走吗?然后居然还有科学家真的做了这个实验!啊科学家们怎么可以这么无聊啊哈哈哈。

书里关于游泳衣的一段也很有意思。不知道大家记不记得从某届奥运会开始一度大热的鲨鱼皮泳衣,号称可以大幅度提高游泳运动员的成绩。科学家们做了各种实验后,最后得到的结论是,其实泳衣材质在减少阻力上的作用非常小,影响大的其实来自于泳衣足够紧,修饰了人体不符合流线形的轮廓。后来的竞技泳衣甚至到了可以帮助运动员调整姿势,甚至提高浮力的地步。2010年泳联终于因为泳衣这些走火入魔的势头,彻底禁了特殊材质的泳衣,大家,还是靠真本事游吧。

有一个特别值得一提的是新型的船底涂料。船底涂料一直是船业界非常烦恼的一件事,不光有锈蚀的问题,更麻烦的是寄生藻类和贝壳类带来的重量和阻力的问题。这里科学家们研究的一种材料长得像一个个纳米级别的小打蛋器,它的长处是一头及其疏水,以至于可以trap一层空气泡泡。另一头,则极为亲水,把水分子紧紧的拉住在表面,变成了一个把气泡包围起来的盖子,提高浮力,减小阻力。听起来,除了贵没毛病。

讲飞行/空气动力学的一章我掉了一个巨大的兔子洞,跟着下一章讲了f1赛车。原来轮胎和刹车也有这么讲究啊!f1赛车的轮胎原来需要维持在一个特定的温度才能保持它抓地的能力。所以f1赛车的备用胎都是用一块80摄氏度的保温毯盖着的。上路之后温度只会因为摩擦变高,更加柔软抓地能力更强。如果有事故,所有的车都要慢下来的时候,轮胎会降温。这时就会看到赛车手们扭来扭去开s形,就是为了给轮胎保温,期望在比赛重新开始的时候,轮胎的performance还能如常。有意思的是刹车片的发明。这个就必须讲到Benz了。最早的production automobile是Carl Benz在他太太的财力支持下做出来的。Carl是个很好的工程师,但不会marketing,车卖不出去。于是有天他太太 Bertha就瞒着他,带着两个儿子一口气一百多公里,开着车回娘家去了,做了一次绝好的marketing。去的路上她觉得木头块的刹车不好使,Bertha就在回程之前,去皮匠铺子请人给刹车块上钉了块牛皮。于是,刹车片就诞生啦。

作者是一个爱尔兰女孩子,有声书自己读的,有非常可爱的口音。以至于我再去翻书的时候脑子里也随时会出现她有跳跃感的发音。她采访的很多科学家也是女性,虽然她没说,但我感觉她是有意多找领域里的女性科学家采访的。我很喜欢她这点用心。这本书很有趣,我写出来的不过其中一二,强烈推荐大家也去读读。

Jul 06, 2024, 23:46 · · · tooot · 18 · 22

@theorem 耶,钓鱼成功。我故意留下个cliffhanger来着。 答案是,平常不能走,但如果有水,就能站得住。 具体为什么,科学家也很挠头。有理论怀疑是Teflon本身是很多极小的微颗粒,所以trap空气在里面,减少了壁虎的spatulae(铲状匙突)和Teflon表面的接触面,水分填补了这个缝隙所以壁虎粘得住。但这个理论并不是特别说得通,他们又怀疑和静电有点关系。但现在总的来说,还是一个不知道。

www.linkresearcher.com壁虎为何能飞檐走壁?不只有范德瓦耳斯力的功劳 | 论文频道 | 领研网大壁虎(Tokay gecko)的爪垫放大图。图片来源:Yi Song撰文 | Jennifer Ouellette翻译 | 范嘉豪审校 | 孟凡琼众所周知,壁虎十分善于攀爬。借助脚底细小的毛状结构,它们可以吸附在任何物体的表面上。近日发表于《生物学快报》的一项研究中,美国国家标准与技术研究院(NIST)与来自美国俄勒冈州、丹麦和德国的科研人员合作,利用高能同步加速器对这些绒毛结构进行了更进一步的观察,发现在刚毛的直立方向上覆盖了一层超薄的脂质分子层。壁虎的爪垫披覆着细小的毛状突起,这些突起被称为“刚毛”(setea),每根刚毛又分叉成数百根更细的“铲状匙突”(spatulae)。科学家早就发现,范德瓦耳斯力——两个偶极子之间的吸引力和排斥力,在微观尺度上会变得极其显著。因此,当壁虎脚上的绒毛与墙壁和天花板非常接近时,绒毛分子和墙壁分子中的电子就会发生相互作用,产生电磁吸引力,使壁虎在光滑表面上自由攀爬。虽然蜘蛛、蟑螂、甲虫、蝙蝠、树蛙和蜥蜴的脚大小不同,但都是借助这种力黏着在物体表面的。左:壁虎的脚;中:壁虎脚趾上刚毛的扫描电子显微图,“sp”标示了铲状匙突的位置;右:一根匙突的特写镜头。图片来源:(左)Bjørn Christian Tørrissen;(中,右)Stanislas Gorb/Kiel University长期以来,科学家对壁虎及其特殊的脚趾保持着浓厚的研究兴趣。在2013年,美国加利福尼亚大学圣塔巴巴拉分校(University of California,Santa Barbara)的科学家设计了一种可重复使用的干式粘合剂。这种粘合剂可以轻易贴在光滑的表面上,向前推时会变粘,向后拉时则会脱落,其设计灵感就是壁虎的脚趾。科学家在这种硅基粘合剂中制造了半圆柱形的纤维,其形状和角度变化带来了这种具有方向性的粘着力。推动粘合剂时,半圆柱形纤维的平面被下压,接触面积增大,粘合剂就黏着在了玻璃表面上;而拉动粘合剂,使半圆柱纤维的曲面朝下,接触面积就减小了,粘合剂从而轻易脱落。美国加利福尼亚大学伯克利分校(University of California,Berkeley)的科学家在2020年探究了为什么壁虎的脚趾柔软多毛,却只会在一个方向上产生“黏性”:把壁虎的脚往某一方向拉时,它的脚趾会牢牢吸住物体表面;松开脚时,脚趾则会向相反方向剥离,而这并不阻碍壁虎向任意方向灵活移动。研究还发现,壁虎可以调整自己的脚趾来侧身攀爬,速度和向上攀爬一样快。拥有多根脚趾也让它能吸附在湿滑或不规则的物体表面。不仅如此,这些柔软的脚趾还能帮助壁虎适应粗糙表面,接触物体的脚趾也可以改变方向来分担负载。然而,科学家对壁虎爪垫表面,尤其是刚毛的化学结构依然知之甚少。在这篇近日的论文中,研究团队对这一方面,尤其是水在表面粘附力中可能存在的关键作用进行了更多研究。“目前对刚毛的物理机制已有了许多认识,”该论文的作者之一,NIST的物理学家切尔诺·杰伊(Cherno Jaye)说,“而我们现在更好地了解了刚毛的分子结构”。NIST物理学家丹·费希尔(Dan Fischer,左)和切尔诺·杰伊(右)在布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的同步加速器显微镜旁。图片来源:C.Weiland/NIST论文作者表示,近期的研究已经发现,在壁虎的脚印和爪垫的大量刚毛中存在某种疏水性的脂质分子(这也存在于爬行动物的表皮上,以类似砖墙的图案排列)。NIST所使用的同步加速器显微镜非常适合观察这种分子结构,因为它不仅可以识别出三维物体表面的分子,还能精确地显示出分子的位置和方向。研究人员推测,这层约1纳米厚的脂质薄膜或许可以排开铲状匙突下的水,使匙突与物体表面充分接触,从而帮助壁虎在潮湿的表面上保持抓力。此外,刚毛和铲状匙突由角蛋白构成,类似于人类头发和指甲中的蛋白质。研究发现,角蛋白纤维的排列方向与刚毛方向一致,这或许增强了刚毛的抗磨损能力。壁虎脚上铲状匙突的结构示意图。绿色的片状物代表角蛋白,灰色的曲线代表脂质分子。图片基于NIST同步加速器显微镜的数据。(图片来源:Marianne Meijer/Kerncraft Art & Graphics)很多过去的发明都受到了壁虎脚的启发,如前文所提到的干式粘合剂、附有人造刚毛的黏力攀爬机器人等。杰伊等科学家认为他们最近的研究可以应用于新的产品设计,例如可以粘在潮湿表面的"壁虎靴",或者能帮助抓握潮湿工具的"壁虎手套"等。“壁虎脚的系统最震撼我的地方就是从宏观到微观,甚至是在分子层面上,所有方面都得到了完美的优化,”论文的作者之一,来自德国基尔大学(Kiel University)的生物学家斯坦尼斯拉夫·戈尔(Stanislav Gorb)说,“这或许可以帮助仿生学工程师找到下一步的方向”。原文链接:https://arstechnica.com/science/2022/07/scientists-gain-fresh-insight-into-the-secret-of-how-gecko-feet-stay-sticky/