科学家们正在探索蝉翅膀的结构和化学特征。图片来源:Wayne Boo，美国地质调查局
生物结构有时具有工程师想要复制的独特特征。例如，许多种类的昆虫的翅膀会脱落水分，杀死微生物，以不同寻常的方式反射光线，并具有自我清洁功能。虽然研究人员已经分析了可能导致这种特征的物理特征，但一项新的研究表明，蝉翅膀上的化学化合物也有助于它们抵御水和杀死微生物。
科学家们在《先进材料界面》杂志上发表了他们的研究结果。
研究人员观察了两种蝉翅膀的物理特征和化学特征，Neotibicen pruinosus而且十七casinnii．n pruinosus是一年生蝉;m . casinnii从土壤中浮现出来每17年一次。之前的研究表明，这两个物种的翅膀上都有一种被称为纳米柱的高度有序的微小支柱。nanopillars有限公司贡献翅膀的水力恐惧——它们比雨衣更容易掉水——可能会杀死试图附着在翅膀上的微生物。
伊利诺伊大学的研究小组从左至右分别是玛丽安·阿莱尼、吴junho Oh、Nenad Miljkovic和凯瑟琳·达纳。图为李龙南。图片来源:贝克曼先进科学技术研究所卢·麦克莱伦
“在这项研究之前，我们对蝉翅膀的表面结构了解很多，但我们对这些结构的化学知识知之甚少，”玛丽安·阿莱恩说，她是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的昆虫学教授，她和分析化学家杰西卡·阿莱恩(Jessica Román-Kustas)领导了这项研究，后者来自新墨西哥州阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室;美国陆军工程兵团建筑工程研究实验室的Donald Cropek;以及伊利诺伊州机械科学与工程教授Nenad Miljkovic。
为了研究纳米柱化学，Román-Kustas开发了一种方法，可以在不破坏机翼整体结构的情况下逐步提取表面的化合物。她把每个翅膀放在一个封闭的房间里的溶剂中，慢慢地微波它们。
Román-Kustas说:“我们在不同的时间段提取了所有这些不同的化合物，然后分析得出的结果。”“我们也研究了相应的纳米孔结构的变化。”
美国陆军工程兵团建设工程研究小组由洪圣敏(左起)、杰西卡Román-Kustas、唐•克罗佩克组成。图片中没有出现:雅各布·霍夫曼、朱利安·里德、安德鲁·冈萨夫斯和乔京。图片来源:Don Cropek
研究发现，蝉的翅膀上覆盖着一层碳氢化合物、脂肪酸和含氧分子(如固醇、醇和酯)的混合物。含氧分子在纳米柱的深处最丰富，而碳氢化合物和脂肪酸在最外层的纳米柱层中占多数。
Alleyne说:“在火星表面发现这些特殊的分子并不令人意外。”“昆虫表皮上的碳氢化合物和脂肪酸相当常见。”
两种蝉的表面化学物质的比例不同，它们的纳米孔结构也不同。
研究表明，改变表面化学物质也会改变纳米孔的结构。当化学物质被提取出来的时候，白霜奈氏蝉体内的纳米柱开始相互转移，后来又转移回更平行的结构。这也改变了翅膀的润湿性和抗微生物特性。
M. cassinni蝉的翅膀表面纳米柱较短，疏水化合物的比例较高。萃取它们的表面化学物质不会改变它们的纳米结构取向。
阿莱恩说，虽然这只是初步的发现，但新的发现为结构和化学在决定功能方面的相互作用提供了深入的见解。通过解剖这些特征，研究人员希望有一天能设计出具有一些相同表面特征的人工结构。她说，例如，找到可以流水和杀死微生物的材料，将在从农业到医学的许多应用中发挥作用。
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美国陆军工程兵团建设工程研究实验室、国家科学基金会和日本文部科学技术部支持了这项研究。
