全靠它们 蝉翼才能既防水又抑菌

图片来源:视觉中国


  工程领域的很多灵感都来自于自然。比如,蝉翼就因独特的防水抑菌性长期吸引着研究人员的目光。如果这种特性能够在工业产品中大量应用,将大有裨益。


  不过,研究人员先前的研究方式是完全移除蝉翼表面的化学物质,这样不仅会损伤蝉翼表面,还无法完全解释蝉翼表面的化学物质如何与本身的结构协同工作。

  新研究针对蝉翼上的涂覆物质进行了分层研究,揭示了形态与化学物质间复杂的相互作用。相关结果发表于《先进材料·界面》杂志。

  研究人员分析了两种不同的蝉,它们的蝉翼上都具有高度有序的微型锥形结构,这一结构又被称为纳米柱。此前,有研究认为纳米柱结构能发挥特殊的作用,可以帮助蝉翼防水并抑制细菌。

  这项研究的参与者、美国桑迪亚国家实验室分析化学家杰西卡·库斯塔斯介绍说,为了避免破坏蝉翼,研究团队尝试了微波辅助提取法,这种方法此前还没有在完整的昆虫翅翼上使用过。这一方法需要对浸入氯仿和甲醇中的蝉翼进行加热和再冷却,同时分析随着这个过程的进行一层层被剥落下来的化学物质。

  对于两种不同的蝉而言,研究人员都发现纳米柱的化学组成对维持蝉翼的结构完整非常重要。“去除了纳米柱外层的化学物质后,柱体就会缩短并向两端弯曲。”这项研究的参与者、伊利诺伊大学香槟分校的生物学家玛丽安娜·阿莱恩解释说。

  对于一年生的蝉种(Neotibicen pruinosus),在去除纳米柱外层的化学物质后,纳米柱的萎缩效应更加剧烈。蝉翼的疏水性首先下降,抑菌性在化学物质刚开始剥落时上升,但是在更多化学物质剥落时明显下降。团队还发现,对于另一个蝉种(Magicicada cassinii)而言,蝉翼表面的化学物质本身就具有抑菌性。这种蝉的蛰伏期为17年,而它们蝉翼上的纳米柱更短——这意味着比起结构特性,它们更有可能依赖蝉翼的化学组分抑菌。

  “显然,蝉翼上的每层结构具有不同功能。”美国西维吉尼亚大学的物理化学家特里·格利恩说,“能够针对特定的层位做进一步分析的能力十分重要,这将帮助我们更好地理解蝉翼基于不同化学组成的整体物理特性。”

  理解化学物质对结构产生的影响能帮助科学家设计更好的产品。阿莱恩说:“有了结构和化学间相互关系的基础知识,我们在设计新材料时就能更有的放矢。基于我们从自然界观察到的现象,我们就能作出兼顾结构和化学性能的选择。”
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