蝴蝶翅粗糙表面的各向异性及机理分析

孙 刚，邰志娟，房 岩，毕语涵

各向异性是图案结构表面的基本特征之一，因其在固体润湿性、疏水性、自清洁性理论研究和工程制备中的重要作用而广受关注［1－2］。许多生物在长期演化和自然选择过程中，形成了多种体表粗糙结构，以有效地适应生存环境。昆虫是自然界中唯一能飞行的无脊椎动物，在地球上数量最大、种类最多、分布最广。昆虫为抵御尘埃、雾、雨、露等胁迫因子，形成了超疏水、自清洁、抗粘附等优异特性。蝴蝶作为昆虫中的一大类群，其翅表面具有隐身性、极速导热性、荧光性等，近年来成为仿生学研究的热点［3－6］。但是目前关于蝴蝶翅表面各向异性及其机理的研究仍很有限。本文应用扫描电镜和视频光学接触角测量仪，对我国东北地区常见的20种蛱蝶科蝴蝶翅表面的各向异性进行了定量研究，为制备纳米疏水和自清洁材料提供试验依据。

1 材料与方法

蝴蝶样品于2012年7－8月采自长春市南湖公园、动植物公园和净月潭国家森林公园，隶属蛱蝶科(Nymphalidae)15属20种。将展翅后的蝴蝶翅标本剪成5 mm×5 mm片段，用双面胶粘在扫描电镜样品台上，经过离子溅射喷金处理后，在扫描电镜(S－570型，HITACHI公司，日本)下观察拍照。使用视频光学接触角测量仪(OCA20型，Dataphysics公司，德国)，采用座滴法(sessile drop)测量蝴蝶翅表面中室处的接触角。采用先滴后斜法测量翅表面的滚动角，包括正向滚动角(水滴从翅基部到翅游离端方向的滚动角)、逆向滚动角(水滴从翅游离端到翅基部方向的滚动角)、垂向滚动角(与翅主轴垂直方向的滚动角)。首先将斜板样本台调至水平位置，将水滴滴到蝴蝶翅表面，然后逐渐增加(每次1°)样本台的角度直至水滴滚落，记录样本台的倾斜角度作为蝴蝶翅表面在该方向的滚动角。进样器与样本间的距离为3 cm，每个样本测量5次，取平均值。水滴体积为7.0μl。整个试验在室温(22～25℃)下进行。

2 结果与分析

2.1 蝴蝶翅表面微观结构的各向异性

图1 蝴蝶(云粉蝶，Pontia daplidice)翅表面微观结构的各向异性

在扫描电镜下，蝴蝶翅表面呈现复杂的等级结构。微米级鳞片为一级结构，呈覆瓦状排列，与翅表面之间有一定倾斜角度(图1)。

微米级鳞片表面的亚微米级纵肋和横桥为二级结构，纵肋沿着鳞片长轴方向排列，横桥基本与纵肋垂直。亚微米级纵肋和横桥上的纳米级突起为三级结构，纳米级突起具有方向性的规则分布。蝴蝶翅表面的各级微观结构均具有显著的各向异性，这是翅表面疏水性、润湿性和自清洁性具有各向异性的结构基础。

2.2 蝴蝶翅表面液滴滚动角的各向异性

蝴蝶翅表面不同方向的滚动角不同，正向滚动角为1～3°，逆向滚动角为5～16°，垂向滚动角为4～11°，正向滚动角＜垂向滚动角＜逆向滚动角，表明蝴蝶翅表面的液滴滚动行为及自清洁性具有各向异性(表1)。由于蝴蝶翅表面独特的微观结构，水滴从身体中心向末端滚动，比水滴从身体末端向中心滚动容易得多。这是因为，水滴的三相接触线跨越鳞片表面有序排列的突起时需要的能量，小于在突起外的区域移动需要的能量。水滴在蝴蝶翅表面极不稳定，稍微抖动就快速滑落。对去除鳞片翅表面的滚动角进行测量发现，正向、逆向、垂向滚动角均大于65°(样本台的最大倾斜角度为65°)(图2)，由此可见，鳞片对蝴蝶翅表面自清洁性起到至关重要的作用。自然界的蝴蝶借助上下扇动翅而快速去除翅表面污染物，从而减轻负重，提高飞行效率，增加生存机会，保证种族繁衍。蝴蝶翅表面可以作为纳米自清洁表面的设计和制备模板。

3 结论

液滴在蝴蝶翅表面的滚动行为和自清洁性具有各向异性，正向滚动角＜垂向滚动角＜逆向滚动角，这是由具有各向异性的蝴蝶翅表面复合微观结构(一级结构、二级结构、三级结构)决定的。鳞片对蝴蝶翅表面自清洁性起到至关重要的作用，去除鳞片翅表面的正向、逆向、垂向滚动角均大于65°。蝴蝶翅表面可作为纳米自清洁表面的仿生制备模板。翅表面的各向异性是蝴蝶长期进化的结果，对于蝴蝶的生存和繁衍具有重要意义。

表1 蝴蝶翅表面的水滴滚动角

图2 去除鳞片的蝴蝶(福蛱蝶，Fabriciana noibe)翅表面水滴滚动角(＞65°)

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