三種家禽次級(jí)飛羽表面的疏水性研究

關(guān)琳 孫剛

摘要：本文通過(guò)觀(guān)察三種家禽次級(jí)飛羽的表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)，以及對(duì)三種家禽次級(jí)飛羽進(jìn)行接觸角測(cè)量，發(fā)現(xiàn)家鵝次級(jí)飛羽表面的接觸角最大144.26°，接觸角最小的是家雞次級(jí)飛羽反面為128.04°。家鴨次級(jí)飛羽反面接觸角136.38°，家鵝次級(jí)飛羽反面接觸角是136.22°，家鴨次級(jí)飛羽正面接觸角為143.96°，家鵝次級(jí)飛羽正面接觸角為144.26°，其接觸角度數(shù)相差不大，三種家禽次級(jí)飛羽均具有疏水特性。

關(guān)鍵詞：家禽次級(jí)飛羽;掃描電鏡;微觀(guān)結(jié)構(gòu);疏水性

根據(jù)羽毛的形狀和所處部位不同，家禽羽毛類(lèi)型主要包括：正羽、絨羽和纖羽[1]。潤(rùn)濕性是固體表面的重要特征之一，其影響因素主要包括表面化學(xué)組成（表面自由能）和表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)（粗糙度）[2]。超疏水表面特性一般表現(xiàn)為較低的表面能、粗糙的微納米表面結(jié)構(gòu)。要想達(dá)到接觸角大于150°，需要構(gòu)建多層級(jí)固體表面結(jié)構(gòu)[3]。自然界中有許多生物體的表面具有自潔功能，以天然活性表面為模板，設(shè)計(jì)與制備具有特殊用途的復(fù)合功能材料，是目前仿生工程學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[4，5]。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)掃描電子顯微鏡觀(guān)察家禽次級(jí)飛羽表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)三種家禽次級(jí)飛羽表面進(jìn)行接觸角測(cè)量，為日后的疏水性表面研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料

家雞（Gallus gallus domesticus）鳥(niǎo)綱，雞形目，雉科。家鴨（Anas platyrhynchos domestica）鳥(niǎo)綱，雁形目，鴨科。家鵝（Anser cygnoides orientalis）鳥(niǎo)綱，雁形目，鴨科。

三種家禽的次級(jí)飛羽。

1.1 主要藥品及試劑

95%無(wú)水乙醇（北京化工廠(chǎng)）;雕牌速溶快潔洗衣粉（納愛(ài)斯集團(tuán)有限公司）。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

光學(xué)法接觸角張力儀器C60（上海梭倫）;掃描電子顯微鏡SU8010（日本日立）。

2 實(shí)驗(yàn)方法

洗衣粉清洗三種家禽次級(jí)飛羽樣本去除表面雜質(zhì)，清水洗凈，快速用無(wú)水乙醇漂洗3次，陰干。將經(jīng)過(guò)清洗的3種家禽次級(jí)飛羽樣本剪2mm×2mm大小，用導(dǎo)電膠帶將其按照正反面以及一定的順序粘貼在導(dǎo)電銅柱上，因?yàn)榇渭?jí)飛羽樣本本身不具有導(dǎo)電作用，因此觀(guān)察前需對(duì)樣品表面進(jìn)行噴金處理。用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)樣本表面進(jìn)行觀(guān)察并拍照，用迅捷CAD對(duì)次級(jí)飛羽進(jìn)行測(cè)量。將次級(jí)飛羽樣本剪裁成4mm×6mm大小的平行四邊形，用光學(xué)接觸角張力儀對(duì)三種家禽次級(jí)飛羽表面進(jìn)行靜態(tài)接觸角測(cè)量，記錄結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 三種家禽次級(jí)飛羽樣本的表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)

通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察三種次級(jí)飛羽表面羽小枝間距，使用迅捷CAD軟件進(jìn)行測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。家雞羽枝正面羽小鉤的長(zhǎng)度沒(méi)有家鴨羽枝上羽小鉤長(zhǎng)度變化大，家鵝次級(jí)飛羽正面羽小鉤的長(zhǎng)度變化相對(duì)較大。三種家禽次級(jí)飛羽正面羽枝間距最小的是鴨羽，最大的是雞羽，反面羽枝間距雞羽最小，鵝羽最大，鴨羽介于二者之間。羽枝間的間距越大，家禽羽毛越能最大面積的接觸到氣流，使得家禽在飛行時(shí)產(chǎn)生更大的動(dòng)能。

家雞次級(jí)飛羽正面靠近羽枝的羽小枝下端沒(méi)有明顯結(jié)構(gòu)，羽小枝遠(yuǎn)端有較長(zhǎng)的纖毛和羽小鉤，羽小鉤頂端有較為明顯的回鉤，放大觀(guān)察后發(fā)現(xiàn)羽小枝上有分布均勻的不明顯的溝槽結(jié)構(gòu)（圖1）。家鴨次級(jí)飛羽正面羽小枝遠(yuǎn)端有纖毛，但無(wú)明顯的羽小鉤，有節(jié)狀凸起排列緊密（圖3）。家鵝次級(jí)飛羽正面羽小枝前端有羽小鉤，但羽小鉤無(wú)回鉤方向朝上，相鄰羽小枝上的羽小鉤位置排列基本一致（圖5）。三種家禽次級(jí)飛羽的羽枝上有都有羽小枝，相鄰的羽枝間相互交疊構(gòu)成凹陷的溝槽，羽枝和羽軸構(gòu)成凸起的脊，這種納米結(jié)構(gòu)可以使翅膀成為有機(jī)的整體。三種家禽次級(jí)飛羽反面結(jié)構(gòu)類(lèi)似，都是由上一個(gè)羽片壓住下一個(gè)羽片緊密排列呈覆瓦狀（圖2、4、6）。

3.2 次級(jí)飛羽表面的疏水性

使用光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量三種次級(jí)飛羽與水的表面接觸角，結(jié)果見(jiàn)表2。家雞次級(jí)飛羽正面、反面的接觸角分別為132.59°和128.04°，家鴨次級(jí)飛羽的正面和反面的接觸角分別為143.96°和136.38°，家鵝次級(jí)飛羽的正面和反面接觸角分別為144.26°和136.22°。三種家禽次級(jí)飛羽正、反表面的接觸角均大于90°，其中家鵝次級(jí)飛羽正面接觸角最大，家鴨次級(jí)飛羽正面接觸角與家鵝次級(jí)飛羽正面相差不大，家雞次級(jí)飛羽反面接觸角相對(duì)來(lái)說(shuō)最小，所以三種家禽次級(jí)飛羽均具有疏水性。

三種家禽次級(jí)次級(jí)飛羽正面的接觸角均高于其反面的接觸角，因?yàn)榇渭?jí)飛羽正面羽枝表面結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，有鉤羽小枝、無(wú)鉤羽小枝、節(jié)狀羽小枝形成凸起的脊和凹槽，這些微納結(jié)構(gòu)是影響羽毛表面接觸角大小的主要原因，而次級(jí)飛羽反面的結(jié)構(gòu)相對(duì)平滑，沒(méi)有凸起所以相對(duì)次級(jí)飛羽正面結(jié)構(gòu)的接觸角會(huì)偏小，但其本身的覆瓦狀結(jié)構(gòu)也具有一定的疏水性。

4 結(jié)論

用掃描電子顯微鏡觀(guān)察三種家禽次級(jí)飛羽表面形態(tài)，結(jié)果表明：三種家禽次級(jí)飛羽正面表面羽枝均具有有鉤羽小枝、無(wú)鉤羽小枝和節(jié)狀羽小枝，這些納米級(jí)的凸起和結(jié)構(gòu)排列規(guī)律，可以減少次級(jí)飛羽與微米級(jí)的小水滴（20～15μm）的接觸。接觸角大于90°即具有疏水特性，接觸角大于150°具有超疏水特性，三種家禽羽毛表面接觸角均大于125°小于145°，因此三種家禽羽毛表面結(jié)構(gòu)均具有一定的疏水特性，家鵝和家鴨次級(jí)飛羽正面接觸角度數(shù)接近150°，因此家鵝和家鴨次級(jí)飛羽正面微觀(guān)結(jié)構(gòu)疏水性最好，家雞的次級(jí)飛羽反面結(jié)構(gòu)疏水性相對(duì)較弱。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析證明了影響三種家禽的次級(jí)飛羽疏水性的原因與羽毛表面的結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]CHEN C F，F(xiàn)OLEY J，TANG P C，et al.Development，regeneration，and evolution of feathers[J].Annual Review of Animal Biosciences，2015，3（1）：169195.

[2]王萬(wàn)興，房巖，藍(lán)藍(lán)，等.植物葉表面超疏水性研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2018，38（17）：2930+86.

[3]孫剛，房巖，叢茜，等.甲醇/水混合溶液在蝴蝶翅膀表面的潤(rùn)濕行為[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2012，42（Sup.1）：429432.

[4]Fang Yan，Sun Gang，Bi Yuhan，et al.Multipledimensional micronano structural models for hydrophobicity of butterfly wing surfaces and coupling mechanism[J].Sci Bull，2015，60（2）：256263.

[5]王女，趙勇，江雷.受生物啟發(fā)的多尺度微/納米結(jié)構(gòu)材料[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（3）：421428.

*通訊作者：孫剛。