全靠它們 蟬翼才能既防水又抑菌

工程領域的很多靈感都來自於自然。比如,蟬翼就因獨特的防水抑菌性長期吸引着研究人員的目光。如果這種特性能夠在工業產品中大量應用,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物質,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物質如何與本身的結構協同工作。

全靠它們 蟬翼才能既防水又抑菌

新研究針對蟬翼上的塗覆物質進行了分層研究,揭示了形態與化學物質間復雜的相互作用。相關結果發表於《先進材料·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構,這一結構又被稱為納米柱。此前,有研究認為納米柱結構能發揮特殊的作用,可以幫助蟬翼防水並抑制細菌。

這項研究的參與者、美國桑迪亞國家實驗室分析化學家傑西卡·庫斯塔斯介紹說,為了避免破壞蟬翼,研究團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行加熱和再冷卻,同時分析隨着這個過程的進行一層層被剝落下來的化學物質。

對於兩種不同的蟬而言,研究人員都發現納米柱的化學組成對維持蟬翼的結構完整非常重要。「去除了納米柱外層的化學物質後,柱體就會縮短並向兩端彎曲。」這項研究的參與者、伊利諾伊大學香檳分校的生物學家瑪麗安娜·阿萊恩解釋說。

對於一年生的蟬種(Neotibicen pruinosus),在去除納米柱外層的化學物質後,納米柱的萎縮效應更加劇烈。蟬翼的疏水性首先下降,抑菌性在化學物質剛開始剝落時上升,但是在更多化學物質剝落時明顯下降。團隊還發現,對於另一個蟬種(Magicicada cassinii)而言,蟬翼表面的化學物質本身就具有抑菌性。這種蟬的蟄伏期為17年,而它們蟬翼上的納米柱更短——這意味着比起結構特性,它們更有可能依賴蟬翼的化學組分抑菌。

「顯然,蟬翼上的每層結構具有不同功能。」美國西維吉尼亞大學的物理化學家特里·格利恩說,「能夠針對特定的層位做進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於不同化學組成的整體物理特性。」

理解化學物質對結構產生的影響能幫助科學家設計更好的產品。阿萊恩說:「有了結構和化學間相互關系的基礎知識,我們在設計新材料時就能更有的放矢。基於我們從自然界觀察到的現象,我們就能作出兼顧結構和化學性能的選擇。」

來源:cnBeta