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湿头发为什么总是粘在一起？ 头发湿的( 三 )


如果我们找到原因，我们可以开出正确的药 。由于用液体清洗微结构时产生的毛细作用是变形的罪魁祸首，我们可以从裂褶菌中学习如何削弱它 。科学家发现，当用纯水洗涤时会塌陷的光致抗蚀剂在用体积比为1: 1的水和叔丁醇的混合物洗涤时是安全的(见上图1) 。这正是因为后者和光刻胶的表面能相对较高(表面张力较低)，毛细作用没有那么强 。同样，如果调整固体的材料，这些薄壁的弹性会减弱，刚性会增强，不容易出现变形现象 。
神奇的“微雕大师”在光刻胶的制备中，弹性毛细作用是科学家们努力避免的 。但是如果反过来想，就会发现弹性毛细作用其实是一个很有价值的现象 。目前，如何更好地利用弹性毛细作用为我们服务，正是科学家们正在努力的方向 。
研究光刻机的科学家还是第一个站出来，尽力保留弹性毛细作用 。读者可能会疑惑，弹性毛细作用显然是光刻机中的“害群之马” 。为什么这些人的态度会出现180度大转弯？
在常规光刻中，无论光刻胶的初始曝光和显影，还是半导体表面的后续刻蚀，加工方向都垂直于固体表面 。因此，最终的微结构通常是垂直于表面的相对简单的结构，如线、柱和薄壁 。如果我们想获得更复杂的结构，比如圆柱体聚集在一起，光刻将无能为力 。这时，弹性毛细作用正好可以派上用场 。我们只需要将这些光刻加工的微结构浸入特定的液体中，然后让液体蒸发或流走，弹性毛细作用就可以迫使这些微结构发生形变，获得丰富多样的结构 。例如，原来垂直于固体表面的相同数量的圆柱体，由于它们的高度和距离不同，可以在变形后简单地聚集或搅拌在一起，甚至可以躺在固体表面上(下图) 。

弹性毛细作用可以使光刻得到的圆柱结构聚集，从而形成各种复杂的微结构 。电镜下可见，参与聚集的圆柱体数目从3 (1 ~ 2)、4 (3 ~ 4)、6 (5)、9 (6)、25 (7 ~ 8)不等 。图中的刻度是10微米 。
这些复杂的微结构是通过弹性毛细作用制成的，并不是为了抓人眼球的视觉效果，更重要的是，它们具有许多潜在的应用价值 。例如，在2009年的一项研究中，科学家首先在聚合物材料表面加工了一系列圆柱体，圆柱体的直径和间距只有一两微米，高度不超过10微米 。然后，原本垂直的圆柱体通过弹性毛细作用聚集在一起 。他们发现变形的圆柱体由于对光的强烈散射作用而呈现出柔和的白色(如下图) 。目前，我们使用的白色涂料通常依赖于二氧化钛和其他矿物质，需要涂上相当厚的涂层 。该研究可能为生产白色提供一种更经济、更环保的手段 。相反，变形前的圆柱体会呈现明亮的颜色，因为它会干扰特定波长的可见光 。这个例子很好地告诉我们，不同的微观结构可以有非常不同的性质 。

垂直排列的微米级聚合物圆柱体，由于特定资源网络的可见光的干扰，可以使表面呈现特定的颜色(左) 。在圆柱体由于弹性毛细作用而塌陷和聚集之后，由于所有波长的可见光的散射，表面呈现白色(右) 。
通过弹性毛细作用控制微结构的另一个例子来自碳纳米管 。碳纳米管由于其良好的导电性，有望在未来的电子产品中展现其才华 。目前，化学气相沉积(CVD)常用于制造碳纳米管，使单个碳纳米管可以从固体表面“生长” 。类似于光刻的效果，这种方式得到的碳纳米管垂直于固体表面，覆盖密度不高，电导率不尽如人意 。然而，如果生长的碳纳米管通过弹性毛细作用“沉积”在固体表面，并且碳纳米管的密度增加，电导率自然会增加 。
独特的折纸游戏 。之前，我们已经体验过用DNA折纸的魅力 。其实弹性毛细现象也能做类似的事情 。
如果我们将液体滴入预切膜的中心，我们会惊讶地发现原来的水平膜可能会弯曲甚至折叠起来包裹住液滴 。这是毛细折纸(下图) 。

通过毛细折纸，把平面图变成立体图 。
弹性毛细效应如何叠纸？在前面的介绍中，我们提到了润湿性，指的是液体可以在固体表面铺展，取代原本与固体接触的空气体 。另一方面，如果固体有足够的弹性，那么双方可以选择另一种方式，即液体保持球形，固体变形包裹液滴，从而减少固体与空空气界面的接触面积 。也就是说，毛细折纸也是弹性毛细作用的体现 。
如果我们买纸箱，会发现商家并不是直接卖现成的纸箱，而是把切好的纸箱堆在一起，让我们买了之后再折叠 。这样，即使一次买几十个纸箱，也不用担心占用过多的储藏室空 。这个简单的例子蕴含着深刻的道理，那就是二维物体比三维物体更容易存储和运输，同时，我们可以通过简单的折叠很容易地将二维物体转换成三维物体 。因此，科学家们希望在新材料和新技术的开发中向折纸这种古老的艺术学习 。但他们并不满足于操作者的手动折叠，而是提出了“自折叠纸”的概念，即希望平面结构在遇到一些外界刺激时能够自发地转变为立体结构 。


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