昆虫出其不意地制造拒水表面
水、空气和昆虫复杂的表面之间的交汇处是解释为什么水滴如此迅速地从它们身上反弹出来的关键。
维维安·卡里尔
2020年7月17日
上图：蚊子的光学图像。嵌体显示了其复眼上纳米级纹理的紧密排列(15,000×放大)。
f或者说在过去的几十年里，荷叶这个防滑拒水表面的模型。宾夕法尼亚州立大学的材料科学家解释说，叶子上覆盖着微型柱子，柱子上装饰着微小的结构，就像一片微观的森林。德成王。“树”的密度相对较低，在荷叶表面和树冠之间形成了一层薄薄的空气。当一个水滴落在荷叶上时，它就坐在空气的口袋里，变得非常移动，就像冰球在空气曲棍球表面上一样。
当然，其他拒水生物也可能采用这种策略，但令王和他的同事惊讶的是，他们在最近的调查中发现，蚊子的眼睛、蝉翅和弹尾体并不是这样的。科学进步今日“用树的比喻来说，没有树，只有草地，”黄解释道。这些昆虫的表面不是稀疏的森林，而是覆盖着密集的纳米级尖峰，就像草的叶片。
“大自然总是充满惊喜和反例。每一次我们明白了一些事情，大自然就会告诉我们，我们错过了另一件事。“胡大卫，佐治亚理工学院的生物力学教授，他没有参与这项工作。
描述水滴气袋斥力的数学理论可以追溯到1944年。工作羊毛工业研究协会的Arnold Cassie和S.Baxter。这解释了荷叶和其他表面的拒水特性，如鸭毛。“这是一件大事，因为有大量的商业应用，如雨-X的挡风玻璃，防水涂料，和GoreTex，是基于荷叶的概念，”胡说。
王的实验室已经对自然界中的防水表面进行了十多年的研究。在他们对昆虫如何保持干燥的最新研究中，令人费解的是，各种生物的扫描电子显微照片显示，表面纳米结构与卡西-巴克斯特(Cassie-Baxter)不一致，因为草地结构不会产生空气口袋。
蝉的光学图像。Inset显示其机翼上的纳米级织构排列紧凑(15,000×放大率)。
为了找出为什么昆虫表面是这样构造的，王的研究小组制作了合成纳米结构，模仿他们在显微镜下看到的大小和密度不同的东西。然后进行水滴撞击试验。基本上，他们以不同的速度将水滴释放到表面，并观察发生了什么。
他们发现，水滴从具有紧密排列的纳米结构的表面反弹几毫秒的速度要快于具有扩展的、更大的微尺度结构的表面。林王一个研究生，他在王的实验室领导了这个项目。几毫秒的时间听起来不太像，但是对于一只在雨中飞行的昆虫来说，剃掉那个时间“实际上是一件大事，”他说。这可能是撞击地面和继续飞行之间的区别。
雨滴的下落对昆虫来说是一个重要的问题。它们以1-2米/秒的速度下降，很容易重到昆虫身体质量的20%。“如果你被一个20%重量的水滴击中，而你不能迅速摆脱它，那就太糟了，”他说。马蒂亚斯·科勒，他在麻省理工学院领导了一个由生物启发的光子工程实验室，没有参与这项研究。
现有的模型并没有预测水会比那些微结构稀疏的纳米结构更快地从密集的纳米结构中反弹。为了解释纳米结构的这种意想不到的特性，Wong和他的同事在Cassie和Baxter的空气口袋理论的基础上提出了一个新的理论模型，该模型强调了空气、液体和固体之间界面的重要性，即所谓的三重接触线。由于微结构稀疏地分布在叶子上，所以在所有三种物质--水、空气和植物--相交的地方相对较少。在纳米结构密集堆积的昆虫表面，有许多接触点，而正是这种特性--但尚未完全了解--似乎解释了致密纳米结构与稀疏微结构之间的差异。
“这就像发现一个新的属性，像温度或压力，”胡解释说，他写了2018年的书。如何在水上行走爬墙，其中包括对水行走者如何在水中行走以及蚊子如何处理雨滴的讨论。尽管如此，三重接触线仍然是神秘的。他解释说：“没有人真正测量过它的性质和大小。”“我认为这将给人们更多的动力来实际测量这件存在的东西，但因为它太小，甚至很难想象，所以很难测量。”
王和王说，纳米结构需要以高密度出现的一个原因是，它们必须承受水滴降落的高压。当结构是稀疏分布的，就像在荷叶中一样，飘落的液滴的撞击会取代它们，破坏空气的口袋，使水附着在表面上。考虑到微小的结构必须包装在一起的要求，仍然可以通过制造纳米结构来优化拒水性能，当水滴降落时，纳米结构将形成长的三重接触线。
科勒说，这些生物表面是有趣的，因为它们通常服务于许多功能。例如，蝴蝶的翅膀上覆盖着鳞片，它们的颜色会向潜在配偶发出信号，以吓唬掠食者；蝴蝶翅膀还需要排斥水，帮助调节温度，当然，还可以让它们飞起来。科勒说，现在人们对昆虫的拒水特性有了更好的了解，下一个大问题是，当昆虫需要一起优化时，它们的不同功能是如何平衡的。