材料科学家揭示了蝉翅膀独特的物理、化学性质

时间:2020-04-30 21:38 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

材料科学家揭示了蝉翅膀独特的物理、化学性质

生物结构有时具有工程师们想要复制的独特特征。例如,许多种类的昆虫的翅膀会滴水,杀死微生物,以不同寻常的方式反射光线,而且还能自我清洁。虽然研究人员已经分析了可能导致这些特征的物理特征,但一项新的研究表明,覆盖在蝉翅膀上的化合物也有助于它们防水和杀死微生物的能力。

科学家们在《先进材料界面》杂志上报告了他们的发现。

研究人员观察了两种蝉的翅膀的物理特征和化学特征,它们分别是pruinosus和Magicicada casinnii。pruinosus是一种一年生蝉;casinnii每17年从土壤中出现一次。先前的研究表明,这两个物种的翅膀上都有一种高度有序的小柱状结构,称为纳米孔。纳米颗粒对翅膀起作用;疏水性本;他们洒下的水比雨衣还多;可能在杀死附着在翅膀上的微生物方面起作用。

材料科学家揭示了蝉翅膀独特的物理、化学性质

在这项研究之前,我们对蝉翅膀的表面结构了解很多,但对这些结构的化学性质却知之甚少。伊利诺斯大学厄巴纳-香槟分校的昆虫学教授Marianne Alleyne说,她与新墨西哥州阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室的分析化学家Jessica Romá n-Kustas共同领导了这项研究;美国陆军工程兵团的Donald Cropek;建筑工程研究实验室;以及伊利诺斯州机械科学与工程教授Nenad Miljkovic。

为了研究纳米化学,Romá n-Kustas开发了一种方法,在不破坏翅膀整体结构的情况下逐步提取表面的化合物。她把每只翅膀放在一个封闭的房间里,用溶剂慢慢地微波每只翅膀。

我们在不同的时间段里提取了所有这些不同的化合物,然后分析了其中的成分。Romá n-Kustas说。我们还研究了纳米颗粒结构的相应变化。

材料科学家揭示了蝉翅膀独特的物理、化学性质

研究表明,蝉翅膀上覆盖着一层碳氢化合物、脂肪酸和含氧分子(如甾醇、醇类和酯类)的混合物。含氧分子在纳米颗粒深处最为丰富,而碳氢化合物和脂肪酸则构成了最外层的纳米颗粒层。

在月球表面发现这些特殊的分子并不令人惊讶。Alleyne说。昆虫表皮上的碳氢化合物和脂肪酸是相当普遍的。

两种蝉的表面化学物质的比例不同,它们的纳米结构也不同。

研究表明,表面化学物质的改变也改变了纳米颗粒的结构。在N. pruinosis cicadas中,随着化学物质被提取出来,纳米颗粒开始相互转移,后来又转移回一个更平行的结构。这也改变了机翼;润湿性和抗微生物特性。

蝉翅的纳米孔较短,表面的疏水化合物比例较高。它们的纳米结构取向不因其表面化学物质的提取而改变。

虽然只是初步的,但新的发现为结构和化学在决定功能方面的相互作用提供了见解,艾利恩说。通过剖析这些特征,研究人员希望有一天能设计出具有相同表面特征的人工结构。她说,例如,找到能够排水和杀死微生物的材料,将在从农业到医学的许多领域发挥作用。

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分子和地形组织:对蝉翅润湿性和杀菌性能的影响Kustas, Jacob B. Hoffman, Julian H. Reed, Andrew E. Gonsalves, Junho Oh, Longnan Li, Sungmin Hong, Kyoo D. Jo, Catherine E. Dana, Nenad Miljkovic, Donald M. Cropek和Marianne Alleyne, 2020年4月1日,Advanced Materials Interfaces。

DOI: 10.1002 / admi.202000112

艾莲也是伊利诺斯州贝克曼先进科学技术研究所的附属机构。

美国陆军工程兵团;建筑工程研究实验室、国家科学基金和日本教育、文化、体育、科学和技术部支持了这项研究。

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