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令人难以置信的高速视频显示了蝴蝶翅膀上的装甲如何防止大雨

时间：2022-04-21 16:25:06 来源：

微凸点和脆弱的蝴蝶翅膀上的纳米蜡层会破碎并散布雨滴，以最大程度地减少损坏。

对高速雨滴撞击羽毛，植物叶子和昆虫翅膀等生物表面的分析表明，这些高度憎水的贴面如何降低水的影响。

这项研究“雨滴如何在生物表面破裂”，于6月8日在美国国家科学院院刊上发表。

研究表明，微小的隆起与纳米级的蜡层相结合，如何破碎并散布这些液滴，以保护脆弱的表面免受物理损坏和体温过低的风险。


Sunghwan“ Sunny” Jung的研究着眼于水滴如何从“超疏水”表面（如昆虫的翅膀，鸟的羽毛和植物的叶子）反弹。

在产品设计上已经存在大量使用自然界实例的产品，即仿生仿制品：用于衣服和鞋子的自清洁防水喷雾剂，以及飞机机翼上的除冰剂。这项研究的结果可能会在将来导致更多此类产品。

农业与生命科学学院生物与环境工程副教授Sunghwan“ Sunny” Jung说：“这是了解高速雨滴如何影响这些天然疏水表面的第一项研究。”主要作者是荣格实验室的博士后研究员Seungho Kim。

先前的研究着眼于水对昆虫和植物的低影响，并指出了液体的清洁特性。但是在自然界中，雨滴可能会以每秒10米的速度下降，因此这项研究研究了高速下降的雨滴如何与超疏水的自然表面相互作用。

荣格说，雨滴会带来危险，因为雨滴的撞击可能会损坏脆弱的蝴蝶翅膀。

他说：“雨滴落在这种小动物上是最危险的事件，”他指出，雨滴落在蝴蝶翅膀上的相对重量类似于从天上掉下来的保龄球。

在这项研究中，研究人员收集了树叶，羽毛和昆虫的样本。后者是从康奈尔大学昆虫馆（Cornell University Insect Collection）获得的，作者是病虫害诊断实验室的馆长和馆长Jason Dombroskie。

研究人员将样品放在桌子上，从约2米高的地方释放水滴，同时用高速相机以每秒几千帧的速度记录冲击力。

在分析胶片时，他们发现当水滴撞击表面时，它会起伏并扩散。纳米级蜡层可排斥水，而表面上较大的微型凸起会在雨滴扩散中产生孔洞。

“将微型凸点视为针头，” Jung说。他说，如果将气球放到这些针上，“那么气球就会碎成小块。因此，雨滴的袭击和蔓延也发生了同样的事情。”

这种粉碎作用减少了液滴与表面接触的时间，从而限制了动量并降低了对脆弱的机翼或叶片的冲击力。它还减少了来自冷滴的传热。这很重要，因为例如昆虫翅膀的肌肉需要足够温暖才能飞翔。

荣格说：“如果他们与寒冷的雨滴接触的时间更长，它们将散失大量热量，并且无法非常轻松地飞翔。”例如，它们容易受到食肉动物的攻击。

尽快驱水也很重要，因为水很重，使昆虫和鸟类难以飞行，并压低植物的叶子。

荣格说：“通过具有这两层结构，[这些生物]可以具有超疏水性的​​表面。”

参考：金圣浩，吴子璇，埃桑·埃斯迈里，杰森·多姆布罗斯基和孙焕光的“雨滴如何在生物表面破裂”，2020年6月8日，美国国家科学院院刊。DOI：
10.1073 / pnas.2002924117

该研究由美国国家科学基金会和美国农业部资助。


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