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劃蝽變身“潛艇”的秘密破解
閱讀：1151 發(fā)布時(shí)間：2012-6-9劃蝽是一種以“嗓門大”著稱的昆蟲(chóng)，被稱為“自然界噪音*”。如今，它的另一個(gè)強(qiáng)項(xiàng)又被挖掘了出來(lái)。甘肅河西學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，劃蝽后翅翅面的復(fù)合階層結(jié)構(gòu)能有效吸附空氣，形成的翅面空氣膜不僅滿足了劃蝽水下呼吸的需要，同時(shí)也可幫助其“滴水不沾”地飛離水面，免受翅面濕潤(rùn)增重帶來(lái)的不利影響。相關(guān)成果日前發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》2012年第14期上。
據(jù)介紹，自然界中很多昆蟲(chóng)的翅面、腿部及某些植物的葉面存在很好的超疏水性?；诔杷匝芯糠律苽涞牟牧显诜栏刮邸p阻降噪、防水抗菌、自清潔等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的仔細(xì)觀察，河西學(xué)院石彥龍課題組發(fā)現(xiàn)，劃蝽在水下游動(dòng)時(shí)扁狀的后足不斷擺動(dòng)，靠后足與水的反作用力將自身向前、向下推進(jìn)。當(dāng)后足停止擺動(dòng)而呈“一”字型支開(kāi)時(shí)，后翅優(yōu)異的超疏水性能使其浮力增大，身體會(huì)由水下垂直向上浮出水面。當(dāng)劃蝽下潛于水底時(shí)，后足呈“一”字型支開(kāi)，靠中足將自己的身體附著在水底的淤泥、石塊或植物上。
通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察劃蝽后翅面，研究人員發(fā)現(xiàn)其翅面分布有大量的乳突，乳突直徑約為80納米，乳突之間相距50～200納米，乳突之間還有大量“大頭針”狀的納米棒，納米棒頂細(xì)根粗，直徑為50～100納米，棒與棒之間相距300～1000納米，高約為600納米。
此外，由于昆蟲(chóng)翅面的主要成分為低表面能材料的蛋白質(zhì)、脂類和幾丁質(zhì)，復(fù)合階層結(jié)構(gòu)及低表面能物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)使劃蝽后翅翅面表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性。研究證實(shí)，這種超疏水性是使其浮力增大的主要因素。水滴在劃蝽后翅翅面的接觸角達(dá)到159°，滾動(dòng)角約為8°。后翅面的這種復(fù)合結(jié)構(gòu)使其表面有更大的比表面積，超疏水翅能有效吸附空氣，使翅面在水下時(shí)形成空氣膜。
石彥龍等指出，理論上，水滴在這種微納米級(jí)階層結(jié)構(gòu)表面的接觸是一種固—氣—液復(fù)合接觸，這種微納米尺度的表面可吸附空氣而在其表面形成一層空氣膜?？諝饽な顾魏茈y浸入納米棒之間的空隙和凹槽。在水滴的下面截流有空氣，表觀上的固液接觸實(shí)際上由固體—氣體—液體共同組成。
在水滴—空氣—翅面的復(fù)合接觸面中，他們計(jì)算得知，水滴與空氣的接觸面占整個(gè)復(fù)合接觸面面積的91%，而水滴與后翅翅面的接觸面只占9%。
研究人員據(jù)此將劃蝽喻為“自然界的潛水艇”，認(rèn)為相關(guān)研究將為研發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、疏水性能穩(wěn)定的超疏水材料提供有益指導(dǎo)。
目前，該課題組已仿生制備了超疏水性濾紙、超疏水性綿纖維等材料，但過(guò)程復(fù)雜、成本偏高、實(shí)用性偏弱。石彥龍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，他們后續(xù)將嘗試在普通金屬基底上構(gòu)筑機(jī)械強(qiáng)度較高、環(huán)境適應(yīng)性較好的超疏水表面，用該基底仿生制備可遙控、自動(dòng)化、能在水面行走的超疏水機(jī)器蟲(chóng)。
“這種機(jī)器蟲(chóng)在偵察勘測(cè)、水質(zhì)監(jiān)控、液面清污、水下打撈等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，我們期望該研究能對(duì)未來(lái)潛艇的設(shè)計(jì)制造提供借鑒和啟發(fā)。”（