爬山虎,又名爬墙虎、飞天蜈蚣,属于葡萄科爬山虎属,是一种落叶多年生木质大藤本植物,具有极强的生命力,能够抗旱、抗热、抗寒、抗虫害和病害。它原产于中国,广泛分布于北起长白山、南至广东和广西等地区,常见于石山、路边石坎、楼房外墙和高架路的水泥墩上,高度可达数米至20多米。爬山虎能紧紧依附于各种表面,经受住狂风暴雨的考验。
华南理工大学材料科学与工程学院教授邓文礼首次测定了单个爬山虎干吸盘的质量、黏附力和黏附接触面积,并利用扫描电子显微镜发现了吸盘的新颖微观结构。研究结果显示,单个成熟爬山虎干吸盘的平均质量约为0.0005克,黏附接触面积平均为1.22平方毫米,而黏附力却高达13.7牛顿,能够承载的最大拉力是其自身重量的280万倍。邓文礼将这种强大的吸附力称为“超吸附力”。
邓文礼借助扫描电子显微镜对爬山虎成熟干吸盘进行了全面观察,发现其内部存在大量平均直径约5微米的微管和尺寸为5~15微米的海绵状微孔。微管的内壁有的光滑,有的呈竹节状;微孔的间壁折叠如弹簧管壁。微管和微孔之间相互连接,形成类似高速公路网的复杂结构。基于这些发现,邓文礼首次提出了界面反应导致吸盘锚合和氮-氧吸入形成负压的吸附机理假说。他认为,海绵状微孔区域类似于细胞壁内的多孔区域,微管和微孔有利于植物激素的传输和黏液流动。微孔负责激素的分泌和积聚,微管负责分流和运送。从结构力学角度看,海绵状结构强化了吸盘与基底间的黏附强度。
邓文礼指出,爬山虎吸盘分泌的生长素多为弱酸性物质,在吸盘与基底接触面发生缓慢的化学反应,其产物在分子层面充当微填充物,增强黏附力。这种界面化学反应导致吸盘在基底表面锚合。此外,随着吸盘生长,卷须尖端受到持续接触刺激,分泌物不断产生,部分空气被包裹在吸盘中。光合作用消耗氮气,氧化反应消耗氧气,导致吸盘内形成负压,进一步加强黏附。弱相互作用力如吸附力、分子间力、静电力、毛细力和范德华力也对黏附起辅助作用。
邓文礼认为,爬山虎的吸盘具有超级黏附性,未来有望用于设计和合成优异的黏胶。这些黏胶可应用于生物医学(可逆生理学作用)和仿生学及生物分子电子学(可逆传导作用)。对爬山虎的深入研究有助于理解植物激素的分泌、积聚、传输和新陈代谢,可能开辟纳米尺度上研究植物药物传输、代谢和转换的新领域,并探索纳米技术在生物遗传和进化中的应用。邓文礼强调,爬山虎器官在生长和发育过程中存在涉及化学、生物、机械和电信号的信号隧道效应,利用其作为原材料或半成品,将促进仿生和生物信息材料及仿生器件的研究。
(《自然科学进展》,Volume 18(11):1220-1225,何天贤,邓文礼)