此故事最初由內部科學新聞社釋出。
今年春天，當17年蟬在美國東北部各地從地下鑽出來時，它們將重新回到一個對它們有更多瞭解的世界。研究人員現在發現，它們的翅膀的設計可以藉助露水，使汙垢直接跳落下來，這一發現可能有助於開發更好的自清潔人工材料。
科學家們已經知道蟬翼是超疏水的。這與許多簡單的疏水物質不同，例如，油和水是出了名的不相容。但是，像荷葉這樣的許多表面可以透過覆蓋微小的凸起使自身更加疏水，因此水滴可以像神秘主義者躺在釘床上一樣漂浮在表面之上。例如，蟬翼上覆蓋著約200奈米或十億分之一米高的蠟狀錐體。相比之下，普通人的頭髮大約為100微米或百萬分之一米寬。
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下雨時，蟬翼的超疏水性可以幫助它們清潔自身——滾落或濺落的水滴可以清除土壤、灰塵、花粉和微生物。但是，如果沒有雨，尤其是在成年蟬在死亡前必須在地面上生活四到六週的時間裡呢？
現在科學家們發現，即使沒有雨，蟬翼也可以保持清潔。顯然，有了露水，汙垢就可以直接從上面跳落下來。
北卡羅來納州達勒姆杜克大學的機械工程師陳傳華和他的同事們在研究許多天然和人工的超疏水錶面時，注意到水滴有時會迅速消失。他們對這種行為感到困惑多年，直到他們從不同的角度進行觀察——他們使用高速攝像機從這些材料的側面而不是上方觀察水滴。
“那時我們看到它們向上跳躍，”陳回憶說。
科學家們發現，當這些表面暴露在水蒸氣中時，露水會凝結在它們上面。當生長中的水滴融合在一起時，合併後的水滴隨後會從超疏水錶面跳落。這些水滴，每個寬度從幾微米到幾百微米不等，可以在空中跳躍幾毫米。
“我們後來發現這種情況幾乎發生在所有普通的超疏水錶面上，”陳說。“如果你把一片荷葉或任何其他許多超疏水錶面拿出來，放在冰箱裡冷卻，然後再拿出來，當空氣中的溼度凝結在它上面時，你用肉眼就能看到水滴會在空中跳躍。”
當小水滴在超疏水錶面上結合時，會形成一個較大的水滴，其表面積小於其原始部分。因此，不再需要用於將水滴壓平到較小水滴曾經佔據的表面上的能量就會被釋放出來，將水滴向上彈起，陳解釋說。
“這些發現表明，超疏水錶面不需要重力驅動的水來帶走汙染物——跳躍的水滴也可以做到，”陳說。
“這是一項偉大的工作，它突出了一種傳統上不被認為是自清潔的機制，”麻省理工學院的機械工程師伊芙琳·王說，她沒有參與這項研究。
陳和他的同事們發現，跳躍的水滴可以從蟬翼上去除寬度達 100 微米的玻璃、塑膠或花粉顆粒，包括透過翅膀振動或氣流無法去除的汙染物。
“蟬大多垂直掛在樹上，這意味著一旦凝結物跳起，重力或空氣就會將其帶走，”陳說。“在最壞的情況下，翅膀是與地面平行的，但即便如此，水滴也不會直線上跳，而是總是有一定的水平動量。當它們落下後，它們會再次跳起來，並且在幾次跳躍後，它們會從翅膀的邊緣跳開。”
這些發現不僅可以幫助解釋蟬翼如何保持清潔的奧秘，還可以導致改進的人工自清潔材料。陳說，跳躍的水滴還可以幫助從發電廠去除熱量。“我認為這項工作非常令人興奮，並展示了跳躍水滴機制的多種可能性和應用，”王說。
陳和他的同事們於4月29日在《美國國家科學院院刊》上線上詳細介紹了他們的發現。
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