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见识一下蝴蝶翅膀的雨滴防御机制

对于人类来说,大雨落到脸上最多令人有些不舒服。但是对于像蝴蝶一样纤小细腻的生物来说,掉落的雨水相当于从天而降的保龄球!简直要命。

纽约康奈尔大学的生物和环境工程师Sunghwan Jung说:“对这种小生物而言,降雨是最危险的事件。”

Jung解释说,质量造成的撞击力并非唯一问题。雨水会破坏昆虫的飞行动,并可能剥夺鸟类的体温,因此尽可能地减少雨滴与身体的接触时间,对许多动物来说至关重要。

Seungho Kim,Jung和同事仔细研究了不同的动植物如何减少这种潜在危险。他们使用高速摄像头以每秒5000到20000帧的速度捕捉水滴,观察水落在蝴蝶,飞蛾,蜻蜓,塘鹅羽毛和葛叶上带来的后果。

之前有研究进行了类似的观察,但水滴的下落速度远低于实际的雨水——后者每秒可达到10米。在这项新研究中,研究团队将水高速喷下,并记录不同的撞击动力学数据。

见识一下蝴蝶翅膀的雨滴防御机制

他们观察到,水滴与叶子或蝴蝶翅膀的表面碰撞时,会掉落到微小的凹凸纹理上,这些微小的纹理会在微型水体中产生像冲击波一样的波浪。这些波相互干扰,导致液滴在散布时形成褶皱图案,其整个厚度各不相同。

然后,就像水滴将要反弹一样,波浪效应使翅膀表面的毛刺在水膜上穿孔,从而将水滴破裂成微小的碎片。

这些天然表面上的纳米级蜡层有助于斥水。研究人员发现,这与水珠破碎效果一起,将液体与翅膀表面之间的接触时间减少了多达70%。

反过来,这减少了热量和动量传递。这对于需要保持温暖才能飞越并逃脱食肉动物的昆虫来说,意义非凡。

“通过两层结构——一个微米级(粗糙的凹凸结构)和另一个纳米级(蜡结构),这些生物体可以具有超疏水(憎水)的表面。”

Kim和他的同事还捕捉到了散布在病原真菌孢子上的水珠碎片——揭示真菌如何利用植物防御来增强自身的扩散能力。

Jung说:“这是首个针对天然疏水表面如何抵御高速水滴的研究。”

蝴蝶翅膀上的微尖刺如何破碎雨滴,可以帮助工程师开发更高级的防水材料,该领域已经从大自然中汲取了众多灵感,如受荷叶启发的防水涂层。

Jung说:“超疏水表面的市场很大。”但是,如果要制造“受这种材料启发的工程产品,耐久性是最大的问题。”

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

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