客观日本

全球首次!模仿白蚁翅膀变雾为水

2019年08月19日 生物医药

日本龙谷大学理工学部物质化学科的内田欣吾研究室利用其自主开发的技术,全球首次成功再现了白蚁翅膀的表面结构。白蚁翅膀有一种特性,能捕捉空气中的小颗粒水雾形成水滴,同时又会弹开较大的水滴。今后有望利用这项技术,从空气中水汽收集水滴。

内田研究室开发出一种晶体表面,通过向混合两种二芳基乙烯分子的晶体膜照射光,再现了白蚁翅膀具有的双重湿润性。澳大利亚原产的白蚁Nasutitermes sp.为了保护自己免受天敌伤害,特意选择在雨季飞往新的栖息地。因此,其翅膀必须要有效弹开水滴。为此,Nasutitermes sp. 白蚁形成了一种特殊的系统,能够弹开大水滴,并收集小水滴,达到一定尺寸后通过振动翅膀将其从表面去除。此次研究就着眼于白蚁翅膀的这种表面结构。

为了再现白蚁翅膀的结构,研究小组混合了两种照射光后颜色会可逆改变的“光致变色分子”,制作了晶体膜。由于已经知道混合前的单独分子形成的表面在照射紫外光后会变成什么样,所以研究小组预测,通过混合两种分子,能再现白蚁翅膀的结构。研究小组实际制作了照射紫外光后会发生光致变色反应,而且表面排列了两种不同尺寸晶体(大晶体高约16μm,宽约1.5μm,小晶体高约1.9μm,宽约0.2μm)的晶体膜。这种表面结构跟预期一样,表现出了与白蚁翅膀非常相似的特性。

这种材料表面具有超强防水性。一般来说,防水材料会排斥水。但白蚁翅膀能够收集通常难以去除的小水滴然后统一将其去除,由此得以在自然界中存活。研究小组利用喷雾器在制作的晶体膜表面上喷附小水滴,确认直径小于100μm左右的水滴被吸附,而更大尺寸的水滴则被弹开。这些水滴的尺寸分别与雾和雨滴的大小相同,通过模拟白蚁翅膀的结构,成功再现了白蚁拥有的弹开大水滴、收集小水滴的功能。

通过这项研究,还明确了这种材料表面可用作自清洁材料,像名古屋中部国际机场的窗玻璃那样,无需人工清洁即可保持表面干净,不仅如此,还有望作为能从空气里的水雾中收集水滴的材料,以及能保持水滴的功能材料使用。

模仿白蚁翅膀变雾为水

图1:(A-C)白蚁翅膀表面结构的电子显微镜照片,(D-G)利用二芳基乙烯模拟白蚁翅膀表面结构形成的晶体膜表面的电子显微镜照片。比例尺:A, B) 15, C) 3, D) 20, E) 5, F) 1, G) 3.33µm(尺寸为头发直径(约50µm)的15分之1)。

模仿白蚁翅膀变雾为水

图2:a是水滴大小的分类,b是利用喷雾器向模拟白蚁翅膀表面的晶体膜喷水时,不同尺寸水滴的湿润现象分布。

■论文
题目:Dual wettability on diarylethene microcrystalline surface mimicking a termite wing
期刊:《Communications Chemistry》, 2019, in press.

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文:JST客观日本编辑部翻译整理

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