便便坐滑梯，马桶不留痕，这招竟然是偷师的它？

虽然图源于网络，但段子来源于生活

你有没有经历过这种尴尬：刚给马桶交完“货”，一按冲水键，便便却像焊死了一样，尤其是在没有马桶刷的时候，你反复冲水它纹丝不动，于是你若无其事地逃离你制造的案发现场……

这种场景看似微不足道，实则暗藏流体力学与材料科学的深层博弈。为解决这个问题，人类连夜偷师，而师傅正是你们的老熟人：猪笼草。

食虫植物都是植物界里特立独行的 “狠角色”！咱们之前唠过好多回了，截止2021年，地球上目前发现了860多种食虫植物，分属在十来个不同的科中，各自有着独门秘籍。比如茅膏菜科的黏液、捕蝇草科的捕虫夹、猪笼草科的捕虫笼等。

我们从和马桶有关的猪笼草开始讲起。

2009年科学家发现，婆罗洲的一些猪笼草如劳氏猪笼草会和当地的山地树鼩达成交易：猪笼草会分泌掺了“泻药”效果的黏液吸引山地树鼩舔舐顺便蹲坑，然后做为马桶承包商揽收便便里的氮和其他营养物质。

戳戳咱的视频号瞅瞅👇

最好能顺便关注一波

不仅山地树鼩稀罕它，连材料学家也悄悄盯上了猪笼草。

问题的出发点其实很简单：掉到笼子里的虫子，甚至老鼠，它们这么能爬，为啥不爬出来呢？（是因为它们傻吗）

那还不是因为捕虫笼的内表面很滑，贼滑啊！它甚至有两个绝招来使猎物失足并有翅难逃。

今年冬季火爆的东北冰坑挑战。想象一下把你放在深三五米的冰坑里，就是掉进捕虫笼的小动物的处境。图源网络。

捕虫笼的中上部有蜡质区，内壁上覆盖了一层有微突起的蜡，达到超疏水的效果，会形成类似的“荷叶效应”。

看不到但摸得到的蜡

那到底啥是超疏水？如果一种材料的表面和水分子是“冷脸相对”，材料不喜欢水分子，巴不得水赶紧滚走，这种现象就叫疏水。反之，如果水滴在某个表面上铺展开，接触角很小（小于90°），表明玻璃“喜欢”水，巴不得把一滴水往四面八方拖拽成薄薄的一滩水，这就是亲水。

超亲水，超疏水示意

图源：作者自制

而超疏水和超亲水就是程度更强的疏水和亲水。一个材料亲不亲水，不仅和材料本身的分子化学活性有关，还和微观上的结构有关。

译自参考文献4

荷叶效应的疏水就是因为蜡质层形成了非常小的像小山包一样的凸起，这些凸起中间的凹陷处会夹杂着空气，形成了一层极薄的空气层。当水滴落到荷叶表面时，由于水滴的尺寸远大于凸起的大小，水滴只能与凸起的顶端形成几个点接触，而无法浸润到荷叶表面。

不单是荷叶，其实很多植物叶片的表面都有超疏水的蜡质结构，雨水在上面会缩成一个一个的小球，有轻微扰动就很容易滚落。图为勾儿茶属的新叶表面形成的荷叶效应。

在捕虫笼的蜡质区，昆虫和其他小动物沾了消化液的腿不仅很难抓住内壁，甚至会在微观尺度上蹭下一些表面的蜡质，从而减小足部和笼壁的实际接触面积，让昆虫无法逃脱。

但是，蜡质区也有缺陷，一个明显的bug就是：当蜡质的小凸起被挣扎的腿脚搓掉后，荷叶效应就会减小甚至消失，这时候昆虫可能还有逃出生天的机会。但是猪笼草可不会放飞到手的虫子，它还有绝招。

蜡质区的微观结构示意图，从左到右依次放大

图源：参考文献6

科学家们发现，猪笼草的口缘部分不仅看上去总是湿湿的，甚至滴了一滴墨水之后，墨水还会反重力地从下往上流！这引起了科学家的极大兴趣，什么天然反重力运输流体？植物体内的导管会从低到高运输水分好理解，可是这个暴露在外的结构是怎么做到的呢？

猪笼草口缘区结构和滴墨实验

图源：译自参考文献3

仔细观察口缘区表面的微观形态，它表面的蜡质由两级别结构组成，第一级是肉眼可见的，放射状的脊突，第二级是脊突之间更微观的横脊，横脊之间还规则分布着盲孔，正是这些横脊和盲孔，依靠一种叫“泰勒毛细升”的作用，把水不断从低处搬到高处。

猪笼草口缘结构。左：口缘纵脊。中：鲜活的猪笼草口缘纵脊放大，长时间保持水膜湿润。右：干枯的猪笼草口缘纵脊放大，隐约可以见到更细小的结构。

A：口缘纵脊。B:A图红框区域放大，有横脊，1234分别是横切的位置。C:横脊侧视图。图源：译自参考文献3。

泰勒毛细升其实是毛细作用的一种。简单来说，就是液体分子和管道壁分子之间存在相互作用，以亲水为例，管壁的分子会拽着水分子往上走，直到这个分子作用力拽不动了，和升上去的液体的重力达到平衡，液面就会停止上升。

这种现象在生活中随处可见，比如海绵吸水。而泰勒毛细升是一种特殊形式的毛细作用，如将两块亲水的板子相交成锐角，然后垂直的插入水中，在毛细作用下,水会在两块板子的夹角间迅速上升。达到平衡后,从侧面观察会发现水的液面为一条曲线。

尽管猪笼草蜡质区和口缘区的蜡在化学成分上几乎一致，但口缘区不是蜡质区那种凹凸不平的表面，没法锁住空气，相反口缘区的蜡是超亲水的。在分子间作用力下，蜡使劲把水分子往上拽。

在二级结构微小的梯度台阶上，通过不断的泰勒毛细升作用，水刚填满一个台阶和盲孔，又被拽上另一个台阶。如此循环往复，水被拽得重复爬升，宏观上看，水就被从低处定向地搬运到高处，并且盲孔的拱形边缘会阻碍水反向流动。是不是听上去和电路中单向导电的二极管很像？神奇吧！天然的生物二极管就这样诞生了！

如此一来，在梯度泰勒毛细升的作用下，猪笼草口缘可以借助少量雨水甚至是自身分泌的亲水性黏液保持长时间的湿滑，让脚踩在口缘的虫子像是脚底抹了油，瞬间失去附着力，跌入消化液中。

由此，在口缘区超亲水造成的超滑界面和蜡质区超疏水的共同作用下，小动物一旦失足就很难逃脱。诶等下，既然猪笼草口缘的湿滑防粘并非依赖传统疏水材料的静态结构（如荷叶的凸起状蜡质），而是通过动态液体界面实现的智能排斥。

这种策略突破了传统材料的局限——即便表面被刮破，新分泌的黏液也能在细小的缝隙中，通过毛细作用迅速填补损伤，形成自愈屏障，那能不能把这俩结合一下？

假设找到一种特殊的固体材料A和液体材料B满足下面的条件：1，固体A是对液体B超浸润的，液体B又和水不互溶，那么把液体灌注固体材料中后，它的界面是不是不仅疏水，同时哪怕表面被磨损蹭掉一些，液体B也能自己钻到缝隙中修复好？

你别说你还真别说，这就是“灌注润滑液的光滑多孔表面”(简称SLIPS)的原理，灵感正是来源于猪笼草。这种功能性材料，通过将润滑剂灌注到微/纳米粗糙结构基质中，形成类似猪笼草口缘表面特性的光滑多孔表面。

灵感来自猪笼草的SLIPS原理及开发示意图。图源：参考文献7、2。

这种材料表面能够达到分子尺度的光滑，具备全方位疏液、自修复、透明度高、温度和压力稳定性好等诸多优点。在润滑液体注入孔隙后，表面会形成稳定液体膜，液体膜与基材通过毛细作用紧密结合，刮擦受损时，局部润滑液流失，储备液自动渗出即可修复。合适的润滑液材料能与外来液体间形成分子级斥力，无论是极性水分子还是非极性油滴均会被弹开。

现已开发出了能不沾血液、不沾油、还能轻松让结成的冰依靠外界扰动和自身重力轻松脱落的的SLIPS材料。

说回马桶，传统陶瓷表面的微孔易吸附排泄物中的有机分子，而SLIPS涂层可就是粑粑的死对头了。如果未来马桶内壁使用了SLIPS材料，粑粑将以“打水漂”的姿态落入水中，不仅可以节省一半甚至九成的冲水量，还能最大程度防止黏着。

更妙的是，其甚至可抑制大肠杆菌生物膜形成，真正实现“零接触”清洁。除此之外，SLIPS还有许多值得期待的应用场景：SLIPS窗户可通过雨水自动冲走灰尘，太阳能板凭借表面的SLIPS自清洁涂层维持高效运转，输油/水管道内壁在-30℃环境仍保持低摩擦的流动状态而大大节省输送能耗，南极科考站的SLIPS外墙让积雪自动脱落……

现在每天在婆罗洲雨林中上演的猪笼草的生存智慧，会在未来对人类社会的发展起到多大的作用呢？要是泰勒知道他发现的原理，可能早在五千多万年前始新世的猪笼草起源的时候就已经存在了，他会不会感叹天地造化，鬼斧神工？

毕竟人类是通过主观能动性发现各种自然规律，而植物却“不知道”这些规律，也“不必知道”。仅通过自然选择的适应→存活，不适应→淘汰的反馈机制，无形之手在其中发挥了重要的作用。自修复仿生涂层的诞生或许又验证一个和青霉素发现故事类似的事实：有时候精妙的科技突破，往往始于对生命细微之处的敬畏与洞察。

未来某一天，当你还没按下冲水按钮时，排泄物就优雅地滑入水中，或许你会想起某只在猪笼草口缘倒霉的失足蚂蚁——它跌落的轨迹，正指引着人类的好奇心！

参考文献：

[1] 郗望. 植物界的食荤者 [M]. 云南: 云南科技出版社, 2021.

[2] Wong T-S, Kang S H, Tang S K Y, et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity [J]. Nature, 2011, 477(7365): 443-447.

[3] Xu C, Feng R, Song F, et al. Continuous and controlled directional water transportation on a hydrophobic/superhydrophobic patterned surface [J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 352: 722-729.

[4] Samanta A, Wang Q, Shaw S K, et al. Roles of chemistry modification for laser textured metal alloys to achieve extreme surface wetting behaviors [J]. Materials & Design, 2020, 192: 108744.

[5] 黄钜斌. 食肉植物猪笼草的减摩机理研究及仿生制备 [D], 2018.

[6] Wang L, Zhang S, Li S, et al. Inner surface of Nepenthes slippery zone: ratchet effect of lunate cells causes anisotropic superhydrophobicity [J]. R Soc Open Sci, 2020, 7(3): 200066.

[7] Ge J, Zhao H, Zhu H, et al. Advanced Sorbents for Oil-Spill Cleanup: Recent Advances and Future Perspectives [J]. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla), 2016, 28.

[8] Wang, Jing, et al. "Viscoelastic solid-repellent coatings for extreme water saving and global sanitation." Nature Sustainability 2.12 (2019): 1097-1105.

撰文、摄影 | 山山

微信编辑 | 未末