生物光子晶体蝴蝶翅膀表面的凝结液滴憎水性

Vol.33高等学校化学学报No.32012年3月 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 575~579生物光子晶体蝴蝶翅膀表面的

凝结液滴憎水性

梅　欢,罗　丁,汪　晶,郑咏梅

(北京航空航天大学化学与环境学院,北京100191)

摘要　采用环境扫描电子显微镜(ESEM)观测了蝴蝶翅膀的微观结构,揭示了蝴蝶翅膀颜色的各向异性特征.采用高速摄像仪实时动态观察了蝴蝶翅膀的水凝结浸润特性,分别探究了蝴蝶翅膀在水平㊁不同倾斜角度以及在振动条件下的水凝结的憎水性.基于微观结构,对蝴蝶翅膀的水凝结憎水特性进行机理阐述.定量描述了其表面的黏滞特性,并基于蝴蝶翅膀的微观结构效应阐述了翅膀表面水凝结的憎水性机制.

关键词　生物光子晶体;水凝结;微纳米结构;憎水性;超疏水性

中图分类号　O647 文献标识码　A DOI :10.3969/j.issn.0251⁃0790.2012.03.027

收稿日期:2011⁃05⁃31.

基金项目:国家自然科学基金(批准号:20973018)资助.

联系人简介:郑咏梅,女,博士,教授,主要从事生物表面特殊浸润性及其仿生研究.E⁃mail:zhengym@

自寒武纪(Cambrian explosion)以来,自然界生命多样性的发展已持续了近50亿年[1].五彩缤纷的

体色和一尘不染的表面都是生物体经过漫长进化过程后所具有的生存技能.蝴蝶就是具有种种特殊技能的典型代表.关于蝴蝶翅膀表面结构色的研究已持续了一个多世纪[2~6].研究发现,这些艳丽的色彩与蝴蝶翅膀表面的微观结构有着某种必然的联系[5,7~12].蝴蝶能够在雨中自由飞行,一方面取决于其翅膀具有超疏水特性[13~15],另一方面是由于水滴在其表面的滚动具有方向性,易沿着翅膀脊骨Ridge 的方向向外(Radial outward,RO)滚落表面,即滚动各向异性[16,17],所以,水滴能够迅速滑落蝴蝶翅膀的表面.蝴蝶翅膀这种色彩绚丽而又具有超疏水特性的根本原因在于其表面上分布的特殊微纳米结构[18].本文采用环境扫描电子显微镜(ESEM)观测了蝴蝶翅膀的微观结构,揭示了蝴蝶翅膀颜色的各向异性特征.采用高速摄像仪实时动态观察了蝴蝶翅膀的水凝结浸润特性,分别探究了蝴蝶翅膀在水平㊁不同倾斜角度以及在振动条件下的水凝结的憎水性.并基于微观结构,对蝴蝶翅膀的水凝结憎水特性进行机理阐述.1　实验部分

1.1　仪器与材料Quanta FEG 250型扫描电子显微镜(ESEM,美国FEI 公司);JS⁃1600型小型离子溅射仪(北京和同创业科技有限责任公司);AvaSpec⁃2048型光纤光谱仪(荷兰Avantes 公司);PHANTOM V9.1型高速摄像仪(美国Vision Research 公司);DataPhysics OCA 20型光学视频接触角仪(德国Dataphysics 公司).

欢乐女神闪蝶(Morpho nestira )购自上海蝶语蝴蝶工作室.

1.2　扫描电子显微镜观察采用高速摄像仪观察蝴蝶翅膀的表面,选取无鳞片缺损的部位,剔除翅脉,将样品切成合适的大小,用导电胶黏贴在实验台上,置于小型离子溅射仪上,调节电流至2mA,连续喷金2min.将处理过

的样品小心放入扫描电镜室中,在高真空模式下调节电压至10kV,观察蝴蝶翅膀的微观结构.

1.3　反射光谱测试用冷光灯光源垂直照射蝴蝶翅膀的表面,采用光纤光谱仪,在反射光谱模式下获取不同观察角度

的光谱,分析可见光(390~780nm)范围内的光谱信息.

1.4　

水凝结特性观察Fig.1　Schematic diagram of rotating the butterfly wings 水平放置蝴蝶翅膀,用加湿器在其表面进行水

凝结,采用高速摄像仪观察表面小水滴在凝结过程

中的方向性;将蝴蝶翅膀样品固定在垂直振动台

上,在垂直方向加以频率为50Hz 的振动,用加湿

器在其表面进行水凝结,采用高速摄像仪观察表面

小水滴在凝结过程中的方向性;将蝴蝶翅膀样品固

定在可旋转冷台上,顺(或逆)RO 方向倾斜15°(图1,方向1和2),用加湿器在其表面进行水凝结,

采用高速摄像仪观察表面小水滴在凝结过程中的滚

离特性.1.5　动态接触角测量首先在蝴蝶翅膀表面滴加5μL 大小的水滴,再在该水滴的上部缓慢滴加5μL 水,测量其接触角;然后,从该水滴的上部吸走5μL 水,测量其接触角.记录整个视频过程.

2　结果与讨论

2.1　蝴蝶鳞片的微观结构

光学照片显示欢乐女神闪蝶翅膀呈亮色[图2(A)],属于结构色[19],这是由其特殊的微纳米结构

所决定的.低倍扫描电子显微镜观察显示,欢乐女神闪蝶的鳞片呈扁平开阔状,鳞片前端(与翅膀结合端)较窄,后端较宽,轮廓较为圆滑,与盾牌形状类似[图2(B)].鳞片与基底呈约15°的倾斜角.沿着RO 方向,即顺着鳞片方向,鳞片的排列具有高度周期性,如覆瓦状重叠排列.前后相邻的两排鳞片的重合度大约为1/4~1/3鳞片长度.垂直RO 方向,鳞片的排列略显不规则.单个鳞片长约180μm,宽约60μm,每平方毫米翅膀区域约有2000~3000个鳞片.

Fig.2　Images of Morpho nestira butterfly wings

(A)Real color image of the iridescence from Morpho nestira butterfly;(B)overlapping scales;(C)vertical view of a fractured scale;(D)longitudinal view of a fractured scale.

在高倍显微镜下观察单个鳞片的微观结构,结果如图2(C)所示.单个鳞片由许多脊骨(Ridge)组成,脊之间平行排列,间距700~1000nm.每条脊宽100~200nm,由梁(Pillar)相连.梁宽约150nm,长约400~500nm,垂直于RO 方向,位于脊的底部.梁间距为500nm.脊和梁均具有明显的周期性.脊由一些很小的微肋(Microrib)和层片(Lamella)组成,微肋类似于栅格.由单个鳞片的剖面ESEM 照片[图2(D)]可以很清楚地看出脊的层片结构.层片约130nm 厚,层片间距120nm,一端与脊的整体相连,另一端外伸至脊的表面,每条脊共约10层左右,高约1800~1900nm,层片外沿与脊整体距离约

170nm.可见,蝴蝶翅膀具有多级的微纳米结构.正是这些细微的特殊结构形成了蝴蝶翅膀神奇的宏观颜色特性.当从不角度观察及照射蝴蝶翅膀时所观察到蓝色的强弱程度均不一样.特别是当观察角度为75°时,波峰处在470nm 左右,蝴蝶翅膀显示出较强的反射(反射率达到60%以上),呈亮色[图3插图(A)];其它角度观察时显示黑暗的颜色675高等学校化学学报 Vol.33