蝴蝶翅粗糙表面的各向异性及机理分析.pdf

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1、第33卷第2期长春师范大学学报(自然科学版)2014年4月Vo1．33No．2JournalofChangchunNormalUniversity(NatumlScience)Apr．2014蝴蝶翅粗糙表面的各向异性及机理分析孙刚，邰志娟2，房岩，毕语涵(1．长春师范大学生命科学学院，吉林长春130032；2．长白山科学研究院，吉林安图133613)[摘要]使用扫描电镜和接触角测量仪，观测了蝴蝶翅粗糙表面的各向异性，进行了机理分析。结果表明，蝴蝶翅表面微观复合结构(一级结构、二级结构、三级结构)具有显著的各向异性，并由此导致液滴在蝴蝶翅表面的滚动行为及自清洁性呈现各向

2、异性，正向滚动角<垂向滚动角<逆向滚动角。蝴蝶翅表面可作为纳米自清洁表面的仿生制备模板。翅表面的各向异性是蝴蝶长期进化的结果，对于蝴蝶的生存和繁衍具有重要意义。[关键词]各向异性；蝴蝶翅表面；疏水性；滚动角；微观结构[中图分类号]Q964／Q969．439．2[文献标识码]A[文章编号]2095—7602(2014)02—0065—03各向异性是图案结构表面的基本特征之一，因其在固体润湿性、疏水性、自清洁性理论研究和工程制备中的重要作用而广受关注L1-2]。许多生物在长期演化和自然选择过程中，形成了多种体表粗糙结构，以有效地适应生存环境。昆虫是自然界中唯一能飞行的无脊

3、椎动物，在地球上数量最大、种类最多、分布最广。昆虫为抵御尘埃、雾、雨、露等胁迫因子，形成了超疏水、自清洁、抗粘附等优异特性。蝴蝶作为昆虫中的一大类群，其翅表面具有隐身性、极速导热性、荧光性等，近年来成为仿生学研究的热点。但是目前关于蝴蝶翅表面各向异性及其机理的研究仍很有限。本文应用扫描电镜和视频光学接触角测量仪，对我国东北地区常见的20种蛱蝶科蝴蝶翅表面的各向异性进行了定量研究，为制备纳米疏水和自清洁材料提供试验依据。1材料与方法蝴蝶样品于2012年7—8月采自长春市南湖公园、动植物公园和净月潭国家森林公园，隶属蛱蝶科(Nymphalidae)15属20种。将展翅后的

4、蝴蝶翅标本剪成5mm×5mm片段，用双面胶粘在扫描电镜样品台上，经过离子溅射喷金处理后，在扫描电镜(S一570型，HITACHI公司，Et本)下观察拍照。使用视频光学接触角测量仪(OCA20型，Data—physics公司，德国)，采用座滴法(sessiledrop)测量蝴蝶翅表面中室处图1蝴蝶(云粉蝶，Pontiadapl~we)的接触角。采用先滴后斜法测量翅表面的滚动角，包括正向滚动角翅表面微观结构的各向异性(水滴从翅基部到翅游离端方向的滚动角)、逆向滚动角(水滴从翅游离端到翅基部方向的滚动角)、垂向滚动角(与翅主轴垂直方向的滚动角)。首先将斜板样本台调至水平位置

5、，将水滴滴到蝴蝶翅表面，然后逐渐增加(每次1。)样本台的角度直至水滴滚落，记录样本台的倾斜角度作为蝴蝶翅表面在该方向的滚动角。进样器与样本间的距离为3cm，每个样本测量5次，取平均值。水滴体积为7．0l。整个试验在室温(22—25℃)下进行。2结果与分析2．1蝴蝶翅表面微观结构的各向异性[收稿日期]2013—09—07[基金项目]国家自然科学基金项目(31370475)；吉林省科技厅自然科学基金项目(201115162)；吉林大学工程仿生教育部重点实验室开放基金项目(K201004)；吉林省教育厅科技计划项目(2009210，2010373，2011186)。[作者简

6、介]孙刚(1969一)，男，辽宁大连人，长春师范大学生命科学学院教授，硕士生导师，博士，从事生物学和生态学研究。[通讯作者]房岩(1965一)，女，吉林长春人，长春师范大学生命科学学院教授，硕士生导师，博士，从事仿生学和动物学研究。·65·Rananigromaculata[J]．GenesandGeneticSystems，2001(76)：311—325．[18]StamatakisA．，HooverP．，RorgemontJ．ArapidbootstrapalgorithmfortheRAxMLWebservers[J]．SystematicBiology200

7、8(57)：758—771．[19]RonouistF．，HuelsenbeckJ．P．MRBAYES3：Bayesianphylogeneticinferenceundermixedmodels[J]．Bioinformatics，2003(19)：1572—1574．[20]NylanderJ．A．A．MrModeltestv2．Programdistributedbytheauthor，inEvolutionaryBiologyCentre，UppsalaUniversity，2004．[21]KartavtsevY．P．，LeeJ．S．Ana