材料“藕”遇：探寻莲藕背后的材料学奥秘

从印泥中的藕丝到纳米世界的荷叶铠甲，从千年不腐的莲壳到“可重塑血肉”的藕粉——这场神奇的“藕”遇蕴藏着跨越古今的材料学智慧。

文|巫 婧 徐家跃

第一届“两翼杯”青年前沿科普作品创作活动科普文章展示作品。

“藕丝牵作缕，莲叶捧成杯。”隋代诗人殷英童笔下的藕丝仿佛蕴含着无尽情思。“接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红。”南宋诗人杨万里描绘的荷叶美景闻名遐迩。荷花和莲藕在古代诗词、绘画等艺术作品中频繁出现，但是大家多聚焦于它的食品性和文化性。其实，这种植物背后也蕴藏着丰富的材料学知识。

01.

藕丝：印泥材料中的瑰宝

“印泥未开出馋水，印泥一开香扑鼻。”杨万里的这句诗生动地描绘出印泥的独特魅力。在历史的长河中，印泥作为中国特有的文房用品，承载着丰富的文化内涵，是书法、绘画作品创作过程中不可或缺的一部分。

在种类繁多的印泥中，有一种印泥因其独特的制作工艺和珍贵的原材料脱颖而出，即龙泉藕丝朱砂印泥。据说此印泥为清朝康熙年间常州秀才刘文高首创，花费两年多时间经过多次改良才研制成功，并取名为龙泉印泥。

龙泉印泥之所以珍贵，很大程度上是因为其主要原材料藕丝的获取难度极大。据记载，上万斤的藕梗才可以抽出二两藕丝，而这一点点藕丝仅能做出10盒龙泉印泥。光是获取藕丝这一环节，就需要耗费大量的人力和物力。除了藕丝，龙泉印泥还加入了珍珠、朱砂等药材，所用的油是在缸中晒上至少3年的蓖麻油。经过调配、熬制、搅拌等30多道工序，才能制作出一盒龙泉印泥。龙泉印泥的独特之处不仅在于其原材料的珍贵和制作工艺的复杂，还在于它具有极佳的品质，“油光闪亮，浸水不化，火烧留痕，夏不渗油，冬不凝固”，这些特性使它在众多印泥中独树一帜。

莲丝除了用于龙泉印泥外，还可以用来织布。缅甸巴东族传承着用藕丝织布的古老技艺，制作藕丝布的工序极为繁杂，需要用小刀切开新鲜的莲梗，一点一点地抽丝，然后搓成短线，再连接成长线。藕丝线还需要经过冲洗、晾晒、纺织、染色等多道工序，才能得到藕丝布。因工序繁杂、耗时耗力，藕丝做成的衣物价格高昂。

02.

荷叶：开启纳米材料的新篇章

“盈盈荷上露，灼灼如明珠。”文学家眼中的荷上露珠，活脱脱一颗颗明珠。在科学家眼中，“荷叶为什么不沾水”则是一个有趣的科学谜团。

水滴落在荷叶上，不会散开或渗透，而是迅速聚集成水珠，在荷叶表面滚动，荷叶与水之间仿佛有着一层无形的屏障。科学家发现，荷叶这种独特的疏水性得益于其微观结构。在显微镜下看，荷叶表面布满了许多微小的乳突，这些乳突的尺寸在微米级别，每个乳突上又覆盖着一层纳米级的蜡质结晶。这种微观结构使荷叶表面形成了一种“粗糙”的界面，极大地减少了水与荷叶的接触面积。

在材料学中，接触角大于150°的材料被称为超疏水材料，荷叶的接触角可以达到160°~170°，甚至更高，是典型的超疏水材料。这种超疏水特性使荷叶具有自清洁功能，当水珠在荷叶表面滚动时，会带走荷叶表面的灰尘和杂质，保持荷叶的洁净。受到荷叶疏水性的启发，科学家研制出多种超疏水材料（如超疏水纺织品），应用到雨衣、帐篷、雨伞等，使其具有卓越的防水性能和良好的透气性，大幅提升使用体验与耐用性效果。

03.

莲壳：千年不腐的神奇材料

在自然界中，莲子以其超长的寿命和强大的生命力而闻名。在辽宁省普兰店黑色泥炭土中发现的一批古莲子，在地下埋藏达400年，仍然能够发芽并开花。近年来，宋代古莲获得新生的新闻也屡屡现诸报端。在自然环境中，植物的种子常常会受到水分、温度、微生物等各种外界因素的影响，莲子何以千年不腐？

科学家将去壳莲子和不去壳莲子置于40℃、相对湿度100%的环境中，发现去壳莲子活性快速衰退，而带壳的原生莲子在15天后各项指标均无变化。由此可见，莲壳对莲子具有极强的保护作用。

进一步研究发现，莲壳的结构十分独特，它由多层组织构成，从外到内分别为表皮层、栅栏层和厚壁细胞层。表皮层是莲子壳的最外层，由一层紧密排列的细胞组成，细胞外壁角质化，形成了一层坚固的保护膜，能够有效阻挡水分、氧气和微生物的侵入。栅栏层位于表皮层下方，细胞排列紧密，呈柱状，进一步增强了莲壳的机械强度。厚壁细胞层则是莲壳的最内层，细胞壁厚且坚硬，为莲子提供了强大的支撑和保护。

莲壳富含纤维素、木质素等多糖类物质，这些物质相互交织，形成了一种坚固的网络结构，使莲壳具有较高的强度和稳定性。此外，莲壳中还含有一些酚类、黄酮类抗氧化物质，能有效抑制微生物的生长和繁殖，防止莲子在长期储存过程中发生腐败。莲壳的存在使莲子能够在恶劣的环境中保持良好的状态，等待适宜的萌发条件。

莲壳经过处理后可以提炼出生物质石墨烯。与传统的矿物石墨烯相比，从莲蓬壳中提取的石墨烯材料具有性能更优、成本更低的优势，可以应用到电池、超级电容器中，提高能量密度和续航能力。莲壳粉碎后还可以代替木屑用于培育平菇。莲壳富含抗氧化物质和抗菌成分，可做抗菌、抗炎和抗氧化的靶向药物载体材料。莲壳的超级硬度为人类合成生物质硬质木材提供了新的思路。

04.

藕粉：独特的生物材料

藕粉不仅是营养丰富的淀粉，而且加水后会变成非牛顿流体。非牛顿流体，简单来说，是一种不遵循牛顿黏性定律的流体，其黏度会随着外力的变化而改变：当手部施加压力作用于非牛顿流体时，流体在压力下表现出一定的抗形变能力，类似固体的特性；当用手抓取流体时，流体呈现出黏滞、可塑的状态，且有一定的流动性，类似半固态或高黏度液态。藕粉的主要成分是淀粉，淀粉中又包含直链淀粉和支链淀粉。藕粉呈现非牛顿流体特性，主要是支链淀粉在起作用。支链淀粉分子是一种具有分支结构的高分子聚合物，它的分子链相互缠绕。利用淀粉的非牛顿流体特性制成的淀粉糊柔性防弹材料，已应用在防弹衣上。

电影《哪吒2》中太乙真人用藕粉重塑哪吒肉身的场景令人叹为观止。科学家真正做到了现实版的“用藕重塑肉身”，他们利用3D打印技术，将藕纤维制成孔隙率高达80%、力学强度超40兆帕的多通道支架。该支架具有多孔结构，孔隙大小、密度可根据不同需求定制。独特的多孔结构为骨细胞提供附着空间，促进营养物质的运输；藕纤维释放的多糖成分能激活Wnt/β-catenin信号通路，显著促进成骨细胞的分化；支架表面的活性基团能够精准地捕捉骨细胞生长因子。与传统钢钉植入相比，藕纤维支架生物相容性好，降解速率与人体骨再生速度同步，植入后无须二次手术取出，是一种前景广阔的生物材料。

莲藕在材料学领域展现出了丰富的价值和无限的潜力。随着科学技术的不断进步，我们有理由相信，未来莲藕将与材料学发生更多“藕”遇，推动材料科学不断向前发展。

巫婧，上海应用技术大学材料科学与工程专业研究生，主要从事光折变晶体生长研究。

徐家跃，上海应用技术大学二级教授，长期从事人工晶体生长与应用研究。

*本文刊登于《科学画报》2025年第11期，更多相关内容欢迎订阅。

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