大自然經常啟發工程學。例如，蟬翼以其防水和抗菌特性長期以來吸引著研究人員，這些特性在人造產品中複製將非常有用。但之前的研究涉及完全去除翅膀表面的化學物質，有時會損壞翅膀，並對這些化學物質如何與翅膀的結構協同工作給出不完整的 picture。新的研究逐層調查覆蓋蟬翼的物質，揭示了形貌和化學性質之間複雜的相互作用。
研究人員分析了兩種蟬物種，它們的翅膀上都有一種高度有序的微小錐形結構模式，稱為奈米柱。先前的研究表明，奈米柱有助於昆蟲的防水能力並幫助殺死微生物。
為了避免翅膀損壞，該團隊測試了一種稱為微波輔助提取的方法，這種方法以前從未在完整的昆蟲翅膀上使用過，桑迪亞國家實驗室的分析化學家傑西卡·羅曼-庫斯塔斯說。羅曼-庫斯塔斯是這項新研究的主要作者，該研究於五月發表在《先進材料介面》雜誌上。該方法包括將浸泡在氯仿和甲醇中的翅膀加熱和冷卻，分析脫落的化學物質層。“這[是]幾天坐在微波爐旁，拿著計時器和電腦，”她說。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞事業，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
在兩種蟬物種中，研究人員都發現奈米柱的化學成分對於維持結構完整性非常重要。“當你從奈米柱上移除外部[化學]層時，柱子會變短並向彼此彎曲，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的生物學家、該研究的資深作者瑪麗安·阿萊恩說。
在年度蟬Neotibicen pruinosus中，這種萎蔫效應更為極端，並且最初使翅膀的防水性降低（儘管隨著更多化學物質的去除，它們恢復了一些這種能力）。隨著第一層的去除，殺菌活性實際上有所增強，但隨著更多化合物被剝離，殺菌活性又再次下降。該團隊發現，每17年出現一次的蟬Magicicada cassinii具有較短的奈米柱，其表面化學物質本身似乎具有殺菌特性——這表明這些蟬更多地依賴於其化學成分而不是結構來殺死微生物。
“很明顯……不同的層有不同的用途，”西弗吉尼亞大學的物理化學家特里·古利昂說，他沒有參與這項研究，“並且探測特定層的能力對於[獲得]對整體物理特性對化學成分的依賴性有更好的理解非常重要。”
瞭解化學物質如何（或不如何）影響結構可能有助於科學家設計更好的產品。“透過掌握關於結構和化學性質如何相互關聯的這種基本知識，”阿萊恩說，“我們可以更合理地設計新材料，根據我們在自然界中觀察到的情況，對結構和化學性質做出選擇……”