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劃蝽變身“潛艇”的秘密破解
閱讀:1145 發(fā)布時間:2012-6-9劃蝽是一種以“嗓門大”著稱的昆蟲,,被稱為“自然界噪音*”。如今,,它的另一個強項又被挖掘了出來,。甘肅河西學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn),劃蝽后翅翅面的復(fù)合階層結(jié)構(gòu)能有效吸附空氣,,形成的翅面空氣膜不僅滿足了劃蝽水下呼吸的需要,,同時也可幫助其“滴水不沾”地飛離水面,免受翅面濕潤增重帶來的不利影響,。相關(guān)成果日前發(fā)表在《科學(xué)通報》2012年第14期上,。
據(jù)介紹,自然界中很多昆蟲的翅面,、腿部及某些植物的葉面存在很好的超疏水性,。基于超疏水性研究仿生制備的材料在防腐抗污,、減阻降噪,、防水抗菌、自清潔等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景,。
經(jīng)過兩個月的仔細觀察,,河西學(xué)院石彥龍課題組發(fā)現(xiàn),劃蝽在水下游動時扁狀的后足不斷擺動,,靠后足與水的反作用力將自身向前,、向下推進。當(dāng)后足停止擺動而呈“一”字型支開時,,后翅優(yōu)異的超疏水性能使其浮力增大,,身體會由水下垂直向上浮出水面。當(dāng)劃蝽下潛于水底時,,后足呈“一”字型支開,,靠中足將自己的身體附著在水底的淤泥、石塊或植物上,。
通過掃描電子顯微鏡觀察劃蝽后翅面,,研究人員發(fā)現(xiàn)其翅面分布有大量的乳突,乳突直徑約為80納米,,乳突之間相距50~200納米,,乳突之間還有大量“大頭針”狀的納米棒,,納米棒頂細根粗,,直徑為50~100納米,棒與棒之間相距300~1000納米,,高約為600納米,。
此外,,由于昆蟲翅面的主要成分為低表面能材料的蛋白質(zhì)、脂類和幾丁質(zhì),,復(fù)合階層結(jié)構(gòu)及低表面能物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)使劃蝽后翅翅面表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性,。研究證實,這種超疏水性是使其浮力增大的主要因素,。水滴在劃蝽后翅翅面的接觸角達到159°,,滾動角約為8°。后翅面的這種復(fù)合結(jié)構(gòu)使其表面有更大的比表面積,,超疏水翅能有效吸附空氣,,使翅面在水下時形成空氣膜。
石彥龍等指出,,理論上,,水滴在這種微納米級階層結(jié)構(gòu)表面的接觸是一種固—氣—液復(fù)合接觸,這種微納米尺度的表面可吸附空氣而在其表面形成一層空氣膜,??諝饽な顾魏茈y浸入納米棒之間的空隙和凹槽。在水滴的下面截流有空氣,,表觀上的固液接觸實際上由固體—氣體—液體共同組成,。
在水滴—空氣—翅面的復(fù)合接觸面中,他們計算得知,,水滴與空氣的接觸面占整個復(fù)合接觸面面積的91%,,而水滴與后翅翅面的接觸面只占9%。
研究人員據(jù)此將劃蝽喻為“自然界的潛水艇”,,認為相關(guān)研究將為研發(fā)適應(yīng)性強,、機械強度高、疏水性能穩(wěn)定的超疏水材料提供有益指導(dǎo),。
目前,,該課題組已仿生制備了超疏水性濾紙、超疏水性綿纖維等材料,,但過程復(fù)雜,、成本偏高、實用性偏弱,。石彥龍告訴《中國科學(xué)報》,,他們后續(xù)將嘗試在普通金屬基底上構(gòu)筑機械強度較高、環(huán)境適應(yīng)性較好的超疏水表面,,用該基底仿生制備可遙控,、自動化、能在水面行走的超疏水機器蟲,。
“這種機器蟲在偵察勘測,、水質(zhì)監(jiān)控,、液面清污、水下打撈等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景,。同時,,我們期望該研究能對未來潛艇的設(shè)計制造提供借鑒和啟發(fā)。”(