隨著氣候變暖，開發更好的散熱材料已成為一個緊迫的問題，一些科學家正轉向大自然尋求靈感。 像昆蟲這樣的小型生物，由於身體質量小，必須應對它們比大型哺乳動物升溫快得多的事實。 例如，當蝴蝶落在樹枝上曬太陽時，它們相對較大的翅膀可能會在幾秒鐘內過熱。 因此，它們進化出了複雜的降溫方式。 哥倫比亞大學和哈佛大學的研究人員現在揭示了這些色彩鮮豔的昆蟲內建的冷卻機制。 它們的翅膀有點像奈米級散熱器，可以啟發新型輕質散熱材料的誕生。
研究合著者，哥倫比亞大學傅氏基金工程與應用科學學院應用物理學副教授南方宇解釋說，熱是分子振動產生的電磁輻射。 材料表面暴露的分子越多，它在稱為輻射散熱的過程中散發的熱量就越多。 因此，根據其結構，某些材料比其他材料散熱更快。 例如，由波浪狀、褶皺狀或圓柱管狀的波紋層製成的物體，比實心物體冷卻得更快，因為它們具有更大的暴露表面積。 這種觀察解釋了為什麼家用散熱器通常被設計成讓熱量透過許多金屬褶皺執行，從而有效地將熱量釋放到房間中。
事實證明，蝴蝶翅膀的某些部分利用了類似的原理。 翅膀本身是複雜的系統，包含生物和非生物結構，表面覆蓋著由幾丁質製成的各種型別的鱗片——幾丁質是一種堅硬的物質，也存在於一些貝類外骨骼和真菌中。 蝴蝶翅膀的生物部分包括氣味墊和釋放資訊素的斑塊，以及用於血淋巴的靜脈，血淋巴是節肢動物中的迴圈液，與血液相當。 非生物結構包括在翅脈之間延伸的幾丁質膜。
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研究人員發現，覆蓋這些結構的鱗片具有不同的形狀，以不同的方式輻射熱量。 氣味墊鱗片的形狀像無數個微小管子，開口朝外，每個直徑約為一微米（千分之一毫米）。 這種奈米結構非常有效地散熱，保護資訊素器官免於過熱。 餘解釋說，由於這些精細的波紋結構比扁平結構暴露更多的表面分子，“從微觀上看，您擁有更多的散熱器。” 覆蓋翅脈的鱗片較厚，但包含許多孔洞，它們也透過這些孔洞有效地散發熱量。 覆蓋非生物翅膀部分的鱗片不易被熱量損壞，因此不具有如此高的“熱輻射率”。
為了闡明這些複雜系統的工作原理，該團隊麻醉了幾種蝴蝶，並使用小畫筆去除翅膀鱗片，以便觀察下面的結構。 科學家們還在昆蟲的胸部注射了少量藍色染料。 染料由血淋巴攜帶，有助於視覺化活細胞和組織。 熱像儀也幫助餘和他的同事分析了翅膀。 裝置顯示生物結構比周圍環境更亮，證明它們正在散熱。 該團隊還發現蝴蝶有一個“翅膀心臟”，可以泵送血淋巴透過氣味墊，哈佛大學比較動物學博物館的生物學家和館長，合著者內奧米·E·皮爾斯說。 該研究發表在上個月的自然通訊雜誌上。
加州大學洛杉磯分校研究光和熱與奈米結構相互作用的 Aaswath Raman 說，這項科學家的工作“非常了不起”，他沒有參與這項研究。 “他們在這裡揭示的特定微觀結構，我們可以在我們自己的人工過程中構想出來，”他說。 “一個可能吸引人的地方是蝴蝶翅膀非常輕，而且所涉及的微觀結構非常小而薄。 因此，從這篇[論文]中產生的一個想法是，它可以啟發人們在非常輕的系統中有效散熱的方法。”
研究人員已經在努力開發一種基於蝴蝶發現的散熱材料，以及他們關於撒哈拉以南螞蟻的類似研究。 他們希望設計一種冷卻聚合物，並將其紡成類似於蝴蝶翅膀奈米結構的形狀。 雖然離商業應用還很遙遠，但由此產生的材料最終可能用於建築塗料等用途。
除了重量輕之外，受蝴蝶啟發的散熱材料可能還有另一個優勢：可以呈現多種顏色。 許多傳統的散熱塗層，例如涼爽屋頂上的塗層，往往是白色的，因為這種色調不吸收熱量。 但紐約州立大學布法羅分校的光子學科學家 Qiaoqiang Gan 說，把太多東西塗成白色在美學上並不令人愉快，他沒有參與這項研究。 “我們仍然需要一個色彩繽紛的世界，”甘說，並指出蝴蝶在自然界中是多麼生動。“蝴蝶翅膀為我們提供了一個例子，表明彩色結構在特定情況下也可以實現輻射散熱。”