蝴蝶翅粗糙表面的各向異性及機(jī)理分析

孫 剛，邰志娟，房 巖，畢語(yǔ)涵

各向異性是圖案結(jié)構(gòu)表面的基本特征之一，因其在固體潤(rùn)濕性、疏水性、自清潔性理論研究和工程制備中的重要作用而廣受關(guān)注［1－2］。許多生物在長(zhǎng)期演化和自然選擇過程中，形成了多種體表粗糙結(jié)構(gòu)，以有效地適應(yīng)生存環(huán)境。昆蟲是自然界中唯一能飛行的無(wú)脊椎動(dòng)物，在地球上數(shù)量最大、種類最多、分布最廣。昆蟲為抵御塵埃、霧、雨、露等脅迫因子，形成了超疏水、自清潔、抗粘附等優(yōu)異特性。蝴蝶作為昆蟲中的一大類群，其翅表面具有隱身性、極速導(dǎo)熱性、熒光性等，近年來成為仿生學(xué)研究的熱點(diǎn)［3－6］。但是目前關(guān)于蝴蝶翅表面各向異性及其機(jī)理的研究仍很有限。本文應(yīng)用掃描電鏡和視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，對(duì)我國(guó)東北地區(qū)常見的20種蛺蝶科蝴蝶翅表面的各向異性進(jìn)行了定量研究，為制備納米疏水和自清潔材料提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

蝴蝶樣品于2012年7－8月采自長(zhǎng)春市南湖公園、動(dòng)植物公園和凈月潭國(guó)家森林公園，隸屬蛺蝶科(Nymphalidae)15屬20種。將展翅后的蝴蝶翅標(biāo)本剪成5 mm×5 mm片段，用雙面膠粘在掃描電鏡樣品臺(tái)上，經(jīng)過離子濺射噴金處理后，在掃描電鏡(S－570型，HITACHI公司，日本)下觀察拍照。使用視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x(OCA20型，Dataphysics公司，德國(guó))，采用座滴法(sessile drop)測(cè)量蝴蝶翅表面中室處的接觸角。采用先滴后斜法測(cè)量翅表面的滾動(dòng)角，包括正向滾動(dòng)角(水滴從翅基部到翅游離端方向的滾動(dòng)角)、逆向滾動(dòng)角(水滴從翅游離端到翅基部方向的滾動(dòng)角)、垂向滾動(dòng)角(與翅主軸垂直方向的滾動(dòng)角)。首先將斜板樣本臺(tái)調(diào)至水平位置，將水滴滴到蝴蝶翅表面，然后逐漸增加(每次1°)樣本臺(tái)的角度直至水滴滾落，記錄樣本臺(tái)的傾斜角度作為蝴蝶翅表面在該方向的滾動(dòng)角。進(jìn)樣器與樣本間的距離為3 cm，每個(gè)樣本測(cè)量5次，取平均值。水滴體積為7.0μl。整個(gè)試驗(yàn)在室溫(22～25℃)下進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 蝴蝶翅表面微觀結(jié)構(gòu)的各向異性

圖1 蝴蝶(云粉蝶，Pontia daplidice)翅表面微觀結(jié)構(gòu)的各向異性

在掃描電鏡下，蝴蝶翅表面呈現(xiàn)復(fù)雜的等級(jí)結(jié)構(gòu)。微米級(jí)鱗片為一級(jí)結(jié)構(gòu)，呈覆瓦狀排列，與翅表面之間有一定傾斜角度(圖1)。

微米級(jí)鱗片表面的亞微米級(jí)縱肋和橫橋?yàn)槎?jí)結(jié)構(gòu)，縱肋沿著鱗片長(zhǎng)軸方向排列，橫橋基本與縱肋垂直。亞微米級(jí)縱肋和橫橋上的納米級(jí)突起為三級(jí)結(jié)構(gòu)，納米級(jí)突起具有方向性的規(guī)則分布。蝴蝶翅表面的各級(jí)微觀結(jié)構(gòu)均具有顯著的各向異性，這是翅表面疏水性、潤(rùn)濕性和自清潔性具有各向異性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

2.2 蝴蝶翅表面液滴滾動(dòng)角的各向異性

蝴蝶翅表面不同方向的滾動(dòng)角不同，正向滾動(dòng)角為1～3°，逆向滾動(dòng)角為5～16°，垂向滾動(dòng)角為4～11°，正向滾動(dòng)角＜垂向滾動(dòng)角＜逆向滾動(dòng)角，表明蝴蝶翅表面的液滴滾動(dòng)行為及自清潔性具有各向異性(表1)。由于蝴蝶翅表面獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，水滴從身體中心向末端滾動(dòng)，比水滴從身體末端向中心滾動(dòng)容易得多。這是因?yàn)椋蔚娜嘟佑|線跨越鱗片表面有序排列的突起時(shí)需要的能量，小于在突起外的區(qū)域移動(dòng)需要的能量。水滴在蝴蝶翅表面極不穩(wěn)定，稍微抖動(dòng)就快速滑落。對(duì)去除鱗片翅表面的滾動(dòng)角進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，正向、逆向、垂向滾動(dòng)角均大于65°(樣本臺(tái)的最大傾斜角度為65°)(圖2)，由此可見，鱗片對(duì)蝴蝶翅表面自清潔性起到至關(guān)重要的作用。自然界的蝴蝶借助上下扇動(dòng)翅而快速去除翅表面污染物，從而減輕負(fù)重，提高飛行效率，增加生存機(jī)會(huì)，保證種族繁衍。蝴蝶翅表面可以作為納米自清潔表面的設(shè)計(jì)和制備模板。

3 結(jié)論

液滴在蝴蝶翅表面的滾動(dòng)行為和自清潔性具有各向異性，正向滾動(dòng)角＜垂向滾動(dòng)角＜逆向滾動(dòng)角，這是由具有各向異性的蝴蝶翅表面復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)(一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu))決定的。鱗片對(duì)蝴蝶翅表面自清潔性起到至關(guān)重要的作用，去除鱗片翅表面的正向、逆向、垂向滾動(dòng)角均大于65°。蝴蝶翅表面可作為納米自清潔表面的仿生制備模板。翅表面的各向異性是蝴蝶長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，對(duì)于蝴蝶的生存和繁衍具有重要意義。

表1 蝴蝶翅表面的水滴滾動(dòng)角

圖2 去除鱗片的蝴蝶(福蛺蝶，F(xiàn)abriciana noibe)翅表面水滴滾動(dòng)角(＞65°)

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