全靠它們 蟬翼才能既防水又抑菌
工程領(lǐng)域的很多靈感都來自于自然。比如，蟬翼就因獨特的防水抑菌性長期吸引著研究人員的目光。如果這種特性能夠在工業(yè)產(chǎn)品中大量應(yīng)用，將大有裨益。
不過，研究人員先前的研究方式是完全移除蟬翼表面的化學(xué)物質(zhì)，這樣不僅會損傷蟬翼表面，還無法完全解釋蟬翼表面的化學(xué)物質(zhì)如何與本身的結(jié)構(gòu)協(xié)同工作。
新研究針對蟬翼上的涂覆物質(zhì)進(jìn)行了分層研究，揭示了形態(tài)與化學(xué)物質(zhì)間復(fù)雜的相互作用。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《先進(jìn)材料·界面》雜志。
研究人員分析了兩種不同的蟬，它們的蟬翼上都具有高度有序的微型錐形結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)又被稱為納米柱。此前，有研究認(rèn)為納米柱結(jié)構(gòu)能發(fā)揮特殊的作用，可以幫助蟬翼防水并抑制細(xì)菌。
這項研究的參與者、美國桑迪亞國家實驗室分析化學(xué)家杰西卡·庫斯塔斯介紹說，為了避免破壞蟬翼，研究團(tuán)隊嘗試了微波輔助提取法，這種方法此前還沒有在完整的昆蟲翅翼上使用過。這一方法需要對浸入氯仿和甲醇中的蟬翼進(jìn)行加熱和再冷卻，同時分析隨著這個過程的進(jìn)行一層層被剝落下來的化學(xué)物質(zhì)。
對于兩種不同的蟬而言，研究人員都發(fā)現(xiàn)納米柱的化學(xué)組成對維持蟬翼的結(jié)構(gòu)完整非常重要�！叭コ思{米柱外層的化學(xué)物質(zhì)后，柱體就會縮短并向兩端彎曲�！边@項研究的參與者、伊利諾伊大學(xué)香檳分校的生物學(xué)家瑪麗安娜·阿萊恩解釋說。
對于一年生的蟬種(Neotibicen pruinosus)，在去除納米柱外層的化學(xué)物質(zhì)后，納米柱的萎縮效應(yīng)更加劇烈。蟬翼的疏水性首先下降，抑菌性在化學(xué)物質(zhì)剛開始剝落時上升，但是在更多化學(xué)物質(zhì)剝落時明顯下降。團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，對于另一個蟬種(Magicicada cassinii)而言，蟬翼表面的化學(xué)物質(zhì)本身就具有抑菌性。這種蟬的蟄伏期為17年，而它們蟬翼上的納米柱更短——這意味著比起結(jié)構(gòu)特性，它們更有可能依賴蟬翼的化學(xué)組分抑菌。
“顯然，蟬翼上的每層結(jié)構(gòu)具有不同功能�！泵绹骶S吉尼亞大學(xué)的物理化學(xué)家特里·格利恩說，“能夠針對特定的層位做進(jìn)一步分析的能力十分重要，這將幫助我們更好地理解蟬翼基于不同化學(xué)組成的整體物理特性�！�
理解化學(xué)物質(zhì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響能幫助科學(xué)家設(shè)計更好的產(chǎn)品。阿萊恩說：“有了結(jié)構(gòu)和化學(xué)間相互關(guān)系的基礎(chǔ)知識，我們在設(shè)計新材料時就能更有的放矢�；谖覀儚淖匀唤缬^察到的現(xiàn)象，我們就能作出兼顧結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能的選擇�！�
