蝴蝶翅膀的浸润探究.doc

蝴蝶翅膀的浸润性探究 超疏水表面在自然界中较为常见，某些生物表面经过数亿年，进化成各种特殊形态的微纳米结构，如水黾腿部的超疏水性是通过其腿部微米量级的刚毛上的螺旋状纳米结构沟槽效应来实现的。荷叶表面微乳突结构上存在着平均直径为1243 nm的纳米级分支结构，这种微米-纳米复合结构使其具有超疏水性。蝴蝶那色彩斑斓又奥秘无穷的翅膀给科学家们以无数的遐想 。蝴蝶翅膀是由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每个鳞片上又分布着排列整齐的纳米条带结构，而每个纳米条带由倾斜的周期性片层堆积而成。这种特殊微观结构导致蝴蝶翅膀表面有各向异性的浸润性。扫描电子显微镜下观测表明蝴蝶翅膀表面在微观下并非是光滑平整的，而是覆盖着重叠排列的瓦片般的鳞片，鳞片排列方向与翅脉发散方向一致，鳞片通过小柄镶嵌在鳞片囊中。鳞片上又有十多条到几千条纵隆脊和肋。其中排间距为蝴蝶翅膀鳞片根部排与排之间的距离；脊间距为鳞片上相邻两个脊脉间的距离；肋间距为鳞片上相邻脊脉问的相邻两肋的距离。蝴蝶翅膀表面的超微结构特征具体参数名称及测量结果见下表。下面对五中不同的蝴蝶翅膀进行分析：1、迁粉蝶迁粉蝶翅膀的鳞片排列整齐，形状规则，鳞片游离缘多呈2齿结构(如图1a所示)。鳞片上有沿鳞片长度方向的纵隆脊和横向的肋，每条脊脉上又由与鳞片呈约30。倾斜周期性的薄片叠合而成，薄片间充满空气。肋问的凹坑中布有十多个橄榄形状的珠子(如图1b)。这种结构使照射其上的光产生折射、反射及干扰而形成明亮反光的颜色。当去除鳞片时，图1c，d可以明显看到鳞片囊。2、密纱眉眼蝶密纱眉眼蝶翅膀的鳞片排列紧密，形状较规则，鳞片游离缘较粗糙，多呈3齿结构，与翅膜问存在倾角。鳞片也分布彼此平行的纵隆脊和横向的肋。肋的两端高，中问低，直接与鳞片的整个基部相连。脊宽度为0.16m，两条脊脉间的间距为1.81m，肋间距为0.85m，相邻脊脉与肋问在鳞片上形成了一个个规则的矩形的类似窗格型的凹坑(如图2所示)。3、素饰蛱蝶翅膀素饰蛱蝶翅膀的鳞片排列整齐、紧密，而且形状规则，鳞片游离缘平滑，鳞片也分布有彼此平行的纵隆脊和横向的肋。肋的中问通过柱状结构和鳞片的整个基部相连。脊宽度为037m，两条脊间的间距为170m，肋间距为154m相邻脊脉与肋间在鳞片上形成了一个个规则的矩形凹坑(如图3所示)。4、绿带翠凤蝶绿带翠凤蝶翅膀表面的超微结构如图4所示，由图可见，绿带翠凤蝶翅膀的鳞片排列较松散，形状规则，鳞片游离缘多呈2齿结构，鳞片分布彼此平行的纵隆脊。脊宽度为0.5m，两条脊脉间的间距为1.78m，肋间距为1.54m，肋呈弯曲褶皱状与相邻脊脉间的鳞片上形成了两排不规则的类似蜂窝的凹坑。5、黑绢斑蝶黑绢斑蝶翅膀的鳞片排列整齐紧密，形状规则，鳞片游离缘多呈尖锐的2齿结构，鳞片也分布有彼此平行的纵隆脊和横向的肋。肋呈肋骨状，肋间由1个或2个柱状结构相连。脊宽度为037m，两条脊脉间的间距为17Om，肋间距为062m，相邻脊脉与肋间在鳞片上形成了一个个规则的矩形凹坑(如图5所示)。显然，不同蝴蝶鳞片表面的超微结构在鳞片的大小、形状、排间距、脊和肋的尺寸及排列等方面存在着差异。分别对五中蝴蝶翅膀的接触角进行测量，结果如下：从表可知，无鳞片的翅膀表面接触角在88144之间，具有一定的疏水性。而有鳞片的翅膀表面的接触角在13971589之间，接触角明显增加43左右，其中素饰蛱蝶、绿带翠风蝶、黑绢斑蝶这3种蝴蝶的接触角大于150。显然，蝴蝶翅膀表面与水黾腿部表面(接触角1676 )和荷叶表面(接触角为161 )一样具有超疏水性。图6a和b分别为去离子水滴在正常和去鳞的蝴蝶翅膀表面的形态，水滴下面黑色部分为蝴蝶翅膀。正常的蝴蝶翅膀表面水滴几乎呈圆球状(见图6a)，而去鳞的蝴蝶翅膀表面水滴呈半球状(见图6b)，可以看出蝴蝶翅膀表面鳞片对其浸润性的重要性。由Cassie模型 知具有超微结构形貌的表面上的液滴并不能填满表面的凹坑，液滴下会存在气体，表观上的液一固接触面其实由固体和气体组成。水滴在正常的和去鳞的蝴蝶翅膀表面的形态不同正是由于蝴蝶翅膀表面覆盖有微米尺寸的鳞片，每个鳞片又分布有纵隆脊和肋。当与液滴接触时，液滴下截留的空气使接触表面由固一液界面和气一界面共同构成，增大了接触面积，令蝴蝶翅膀表面具有较强的疏水性。蝴蝶翅膀表面覆盖着微米尺寸重叠排列的瓦片状鳞片和鳞片上具有的纳米结构对浸润性起到了关键性的作用。将蝴蝶翅膀样品平放在平台上，将6mL去离子水滴缓慢滴在表面，通过微型电机缓慢增加平台的倾角，当水滴滚动时，接触角测量仪对上述5种蝴蝶的翅膀进行正向、逆向和垂直翅脉发散方向的滚动角测量和拍照。水滴沿蝴蝶翅膀不同方向的滚动角有一定的区别，正向的滚动角最小，水滴更易于在沿翅脉发散的方向滚动。其中素饰蛱蝶的滚动各向异性特征最为明显。图7的照片分别为水滴沿着正向、逆向和垂直翅脉发散方向在素饰蛱蝶翅膀表面的滚动过程。测得其正向滚动角为3，逆向滚动角为1O，垂直翅脉发散方向的滚动角的大于20。滚动的各向异性是因为翅膀表面鳞片的紧密有序排列使得不同方向上的固、气、液三相接触线不同，影响了水滴在翅膀表面的滚动状态当沿翅脉发散方向倾斜时，翅脉发散方向鳞片排列有序，三相接触线连续，水滴可以非常容易顺着鳞片滚离表面，正向滚动角较小。逆向放置时，鳞片与翅膜存在的夹角在一定程度上使水滴不易滚离翅膀表面，逆向滚动角较大。垂直翅脉发散方向排列无序，三相接触线不连续，水滴几乎粘附在翅膀表面，具有较高的滚动角。综上所述，可以得出以下结论：(1)5种翅膀均覆盖着重叠排列的瓦片般的鳞片，鳞片上分布有纵隆脊和肋。不同种类的蝴蝶其鳞片的大小、形状、排间距、脊和肋的尺寸及排列均有所区别。(2)无鳞片的翅膀表面接触角在88144之问，而有鳞片的翅膀表面的接触角在13971589之间，接触角明显增加43左右，这充分说明了鳞片使接触角增大。蝴蝶翅膀表面覆盖的微米尺寸的鳞片提