划蝽变身“潜艇”的秘密破解

　　划蝽是一种以“嗓门大”著称的昆虫，被称为“自然界噪音之王”。如今，它的另一个强项又被挖掘了出来。甘肃河西学院的研究人员发现，划蝽后翅翅面的复合阶层结构能有效吸附空气，形成的翅面空气膜不仅满足了划蝽水下呼吸的需要，同时也可帮助其“滴水不沾”地飞离水面，免受翅面湿润增重带来的不利影响。相关成果日前发表在《科学通报》2012年第14期上。
 
据介绍，自然界中很多昆虫的翅面、腿部及某些植物的叶面存在很好的超疏水性。基于超疏水性研究仿生制备的材料在防腐抗污、减阻降噪、防水抗菌、自清洁等领域有广泛的应用前景。
 
经过两个月的仔细观察，河西学院石彦龙课题组发现，划蝽在水下游动时扁状的后足不断摆动，靠后足与水的反作用力将自身向前、向下推进。当后足停止摆动而呈“一”字型支开时，后翅优异的超疏水性能使其浮力增大，身体会由水下垂直向上浮出水面。当划蝽下潜于水底时，后足呈“一”字型支开，靠中足将自己的身体附着在水底的淤泥、石块或植物上。
 
通过扫描电子显微镜观察划蝽后翅面，研究人员发现其翅面分布有大量的乳突，乳突直径约为80纳米，乳突之间相距50～200纳米，乳突之间还有大量“大头针”状的纳米棒，纳米棒顶细根粗，直径为50～100纳米，棒与棒之间相距300～1000纳米，高约为600纳米。
 
此外，由于昆虫翅面的主要成分为低表面能材料的蛋白质、脂类和几丁质，复合阶层结构及低表面能物质的协同效应使划蝽后翅翅面表现出优异的超疏水性。研究证实，这种超疏水性是使其浮力增大的主要因素。水滴在划蝽后翅翅面的接触角达到159°，滚动角约为8°。后翅面的这种复合结构使其表面有更大的比表面积，超疏水翅能有效吸附空气，使翅面在水下时形成空气膜。
 
石彦龙等指出，理论上，水滴在这种微纳米级阶层结构表面的接触是一种固—气—液复合接触，这种微纳米尺度的表面可吸附空气而在其表面形成一层空气膜。空气膜使水滴很难浸入纳米棒之间的空隙和凹槽。在水滴的下面截流有空气，表观上的固液接触实际上由固体—气体—液体共同组成。
 
在水滴—空气—翅面的复合接触面中，他们计算得知，水滴与空气的接触面占整个复合接触面面积的91%，而水滴与后翅翅面的接触面只占9%。
 
研究人员据此将划蝽喻为“自然界的潜水艇”，认为相关研究将为研发适应性强、机械强度高、疏水性能稳定的超疏水材料提供有益指导。
 
目前，该课题组已仿生制备了超疏水性滤纸、超疏水性绵纤维等材料，但过程复杂、成本偏高、实用性偏弱。石彦龙告诉《中国科学报》，他们后续将尝试在普通金属基底上构筑机械强度较高、环境适应性较好的超疏水表面，用该基底仿生制备可遥控、自动化、能在水面行走的超疏水机器虫。
 
“这种机器虫在侦察勘测、水质监控、液面清污、水下打捞等领域都具有广泛的应用前景。同时，我们期望该研究能对未来潜艇的设计制造提供借鉴和启发。”