蝴蝶翅膀的浸潤性探究

1、蝴蝶翅膀的浸潤性探究超疏水表而在自然界屮較為常見，某些生物表而經(jīng)過數(shù)億年，進 化成各種特殊形態(tài)的微納米結(jié)構(gòu)，如水邑腿部的超疏水性是通過其腿 部微米量級的剛毛上的螺旋狀納米結(jié)構(gòu)溝槽效應(yīng)來實現(xiàn)的。荷葉表面 微乳突結(jié)構(gòu)上存在著平均直徑為124. 3 nm的納米級分支結(jié)構(gòu)，這種 微米-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)使其具有超疏水性。蝴蝶那色彩斑斕又奧秘?zé)o窮 的翅膀給科學(xué)家們以無數(shù)的遐想。蝴蝶翅膀是由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋，每個鱗片上又分布著排 列整齊的納米條帶結(jié)構(gòu)，而每個納米條帶由傾斜的周期性片層堆積而 成。這種特殊微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致蝴蝶翅膀表面有各向異性的浸潤性。掃描電子顯微鏡下觀測表明蝴蝶翅膀表面在微觀下并非是光滑 平整

2、的，而是覆蓋著重疊排列的瓦片般的鱗片，鱗片排列方向與翅脈 發(fā)散方向一致，鱗片通過小柄鑲嵌在鱗片囊中。鱗片上又有十多條到 幾千條縱隆脊和肋。其屮排間距為蝴蝶翅膀鱗片根部排與排之間的距 離；脊間距為鱗片上和鄰兩個脊脈間的距離；肋間距為鱗片上相鄰脊 脈問的相鄰兩肋的距離。蝴蝶翅膀表面的超微結(jié)構(gòu)特征具體參數(shù)名稱及測量結(jié)果見下表。表1 s種蝴蝶翅膀表面超微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及其測畳值tab-1 characteristic parameters of the ultrastructures of five ventral butterfly wingsptm蝶 峽 飾 素ss- =一一k 片 鱗60 4 i

3、1oo2.81h512.871169926 o.6 o270.50 o683 o75 o58 e45h48 o76 o下面對五中不同的蝴蝶翅膀進行分析：1、遷粉蝶遷粉蝶翅膀的鱗片排列整齊，形狀規(guī)則，鱗片游離緣多呈2齒結(jié) 構(gòu)（如圖la所示）。鱗片上有沿鱗片長度方向的縱隆脊和橫向的肋，每 條脊脈上又由與鱗片呈約30。傾斜周期性的薄片疊合而成，薄片間充 滿空氣。肋問的凹坑中布有十多個橄欖形狀的珠子（如圖lb）。這種結(jié) 構(gòu)使照射其上的光產(chǎn)生折射、反射及干擾而形成明亮反光的顏色。當(dāng) 去除鱗片時，圖1c, d可以明顯看到鱗片囊。（a）放大200倍（b）放大10000倍（<）放大200倍（d）放大2

4、000倍圖1遷粉蝶翅膀表面超微結(jié)構(gòu)sem圖卜 i i sem imag<« of microstructures of catopsilia pomona wing surface2、密紗眉眼蝶密紗眉眼蝶翅膀的鱗片排列緊密，形狀較規(guī)則，鱗片游離緣較粗 糙，多呈3齒結(jié)構(gòu)，與翅膜問存在傾角。鱗片也分布彼此平行的縱隆 脊和橫向的肋。肋的兩端高，中問低，直接與鱗片的整個基部相連。脊寬度為0. 16屮n,兩條脊脈間的間距為1. 81pm,肋間距為0.85pm,相 鄰脊脈與肋問在鱗片上形成了一個個規(guī)則的矩形的類似窗格型的凹 坑（如圖2所示）。(a)放大200倍(b)放大i 000(門 放大

5、10 000借圖2密紗眉眼蝶翅勝表面超微結(jié)構(gòu)sem圖fig. 2 sem images of mierostnictures of mycalesismisenus de niceville wing surface3、素飾峽蝶翅膀素飾峽蝶翅膀的鱗片排列整齊、緊密，而貝形狀規(guī)則，鱗片游離 緣平滑，鱗片也分布有彼此平行的縱隆脊和橫向的肋。肋的中問通過 柱狀結(jié)構(gòu)和鱗片的整個基部相連。脊寬度為0. 37曲，兩條脊間的間 距為170s，肋間距為154“i相鄰脊脈與肋間在鱗片上形成了一個個規(guī)則的矩形凹坑（如圖3所示）o（a）放大200借(b)放大i 000借(c)放大10 000倍圖3素飾峽蝶翅膀表面超

6、微結(jié)構(gòu)sem圖fig. 3 sem images of micn>5tructiires of slibochiorw nicea(gray) wing surface4、綠帶翠鳳蝶綠帶翠風(fēng)蝶翅膀表而的超微結(jié)構(gòu)如圖4所示，由圖可見，綠帶翠風(fēng)蝶翅膀的鱗片排列較松散，形狀規(guī)則，鱗片游離緣多呈2齒結(jié)構(gòu)，鱗片分布彼此平行的縱隆脊。脊寬度為05購，兩條脊脈間的間距為1.78,肋間距為1.54,肋呈彎曲褶皺狀與相鄰脊脈間的鱗片上形 成了兩排不規(guī)則的類似蜂窩的凹坑。（a）放人200借（b）放大】（）00倍（c）放大10 000借圖4 綠帶眾風(fēng)蝶翅勝表ml趙微結(jié)構(gòu)skm圖pig. 4 sem image

7、s of niicnwlnicturcs of pupilio maackii wing surface5、黑絹斑蝶黑絹斑蝶翅膀的鱗片排列整齊緊密，形狀規(guī)則，鱗片游離緣多呈 尖銳的2齒結(jié)構(gòu)，鱗片也分布有彼此平行的縱隆脊和橫向的肋。肋呈 肋骨狀，肋間由1個或2個柱狀結(jié)構(gòu)相連。脊寬度為0. 37pm,兩條脊 脈間的間距為170pm,肋間距為062“，相鄰脊脈與肋間在鱗片上 形成了一個個規(guī)則的矩形凹坑(如圖5所示)o(a) .枚人200倍(b)放大1000倍(<0放大000借圖5黑絹斑蝶翅膀表面超微結(jié)構(gòu)sem圖fig. 5 sem images of riiicrostruc tures of

8、 parantica melancus( cramer) wing surface顯然，不同蝴蝶鱗片表面的超微結(jié)構(gòu)在鱗片的大小、形狀、排間距、脊和肋的尺寸及排列等方面存在著差異。分別對五中蝴蝶翅膀的接觸角進行測量，結(jié)果如下:tab. 2 contact angles of butterfly wings (°)特征參數(shù)&2%遷粉蝶143. 1143.8139.7142.9149.6143.8密紗眉眼蝶147.4143.7141,1149. i148.2145.9索飾峽蝶153.915).0153.7148.6157.7153.0綠帶翠鳳蝶144.9147.5150.6155.

9、6158.9151.5黑絹斑蝶150.0153.4147.0157.8154.8152.6去嶙遷粉蝶110.4118.9119.4117.6117.0116.7去鱗密紗眉眼蝶97.288.094.8104. 199.396.7去鱗素飾峽蝶107.5112.1110.9106.7111.7109.8去鱗綠帶翠鳳蝶99.494.391.098.789.694.6去鱗黑纟fl斑蝶144.0143.895.795.6103. !116.4注:去鱗黑綃斑蝶144。和143.8。接觸角佔計為鱗片未完全左 除測得的接觸角.從表可知，無鱗片的翅膀表面接觸角在88144 z間，具有一 定的疏水性。而有鱗片的翅膀

10、表面的接觸角在139.7158.9之間, 接觸角明顯增加43左右，其中素飾峽蝶、綠帶翠風(fēng)蝶、黑絹斑蝶這3 種蝴蝶的接觸角大t150。顯然，蝴蝶翅膀表面與水邑腿部表面（接 觸角167. 6 ）和荷葉表面（接觸角為161 ）樣具有超疏水性。圖6a和b分別為去離了水滴在止常和去鱗的蝴蝶翅膀表面的形 態(tài)，水滴下面黑色部分為蝴蝶翅膀。止常的蝴蝶翅膀表面水滴幾乎呈 圓球狀（見圖6小，而去鱗的蝴蝶翅膀表面水滴呈半球狀（見圖6b）,可 以看出蝴蝶翅膀表面鱗片對其浸潤性的重要性。由cassie模型 知具 有超微結(jié)構(gòu)形貌的表面上的液滴并不能填滿表面的凹坑，液滴下會存 在氣體，表觀上的液一固接觸面其實市固體和氣體組

11、成。水滴在正常 的和去鱗的蝴蝶翅膀表面的形態(tài)不同正是由于蝴蝶翅膀表面覆蓋有 微米尺寸的鱗片，每個鱗片乂分布有縱隆脊和肋。當(dāng)與液滴接觸吋，液滴下截留的空氣使接觸表面由固一液界面和氣一界面共同構(gòu)成，增 大了接觸面積，令蝴蝶翅膀表面具有較強的疏水性。蝴蝶翅膀表面覆 蓋著微米尺寸重疊排列的瓦片狀鱗片和鱗片上具有的納米結(jié)構(gòu)對浸 潤性起到了關(guān)鍵性的作用。(a)有鱗(b)無鱗圖6水滴在蝴蝶翅膀表面的形態(tài)fig. 6 images of water droplet pinned on butterflywing surfaces將蝴蝶翅膀樣品平放在平臺上，將6ml去離子水滴緩慢滴在表面, 通過微型電機緩慢增加

12、平臺的傾角，當(dāng)水滴滾動時，接觸角測量儀對 上述5種蝴蝶的翅膀進行正向、逆向和垂直翅脈發(fā)散方向的滾動角測 量和拍照。水滴沿蝴蝶翅膀不同方向的滾動角有一定的區(qū)別，正向的滾動角 最小，水滴更易于在沿翅脈發(fā)散的方向滾動。其中素飾峽蝶的滾動各 向異性特征最為明顯。圖7的照片分別為水滴沿著正向、逆向和垂直 翅脈發(fā)散方向在素飾峽蝶翅膀表面的滾動過程。測得其正向滾動角為 3 ,逆向滾動角為10 ,垂直翅脈發(fā)散方向的滾動角的大于20。滾動 的各向異性是因為翅膀表面鱗片的緊密有序排列使得不同方向上的 固、氣、液三相接觸線不同，影響了水滴在翅膀表面的滾動狀態(tài).當(dāng) 沿翅脈發(fā)散方向傾斜時，翅脈發(fā)散方向鱗片排列有序，三相

13、接觸線連 續(xù)，水滴可以非常容易順著鱗片滾離表面，正向滾動角較小。逆向放置時，鱗片與翅膜存在的夾角在一定程度上使水滴不易滾離翅膀表而，逆向滾動角較大。垂直翅脈發(fā)散方向排列無序，三相接觸線不連續(xù)，水滴兒乎粘附在翅膀表面，具有較高的滾動角。(a)正向(b)逆向(c)垂宜 圖7水滴在蝴蝶翅膀表面滾動fig. 7 u atrrmovement on butterfly wing surfaces綜上所述，可以得出以下結(jié)論：(1) 5種翅膀均覆蓋著重疊排列的瓦片般的鱗片，鱗片上分布有縱 隆脊和肋。不同種類的蝴蝶其鱗片的大小、形狀、排間距、脊和肋的 尺寸及排列均有所區(qū)別。(2) 無鱗片的翅膀表面接觸角在88144之問，而有鱗片的