昆蟲身上發現一種天然的拒水納米結構:可啟發設計防水塗料、抗病毒...

2020-12-16 前瞻網

昆蟲身上發現一種天然的拒水納米結構：可啟發設計防水塗料、抗病毒面罩

 Evelyn Zhang • 2020-07-20 16:52:06　來源：前瞻網　E1651G0

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通過對蚊子、蟬等昆蟲表面的調查，賓夕法尼亞州立大學的研究人員詳細描述了一種以前未被識別的納米結構，可以用來設計更強、更有彈性的防水塗層。這種模仿蚊子複眼獨特納米結構的塗層，甚至還可以改善防病毒面具的性能。

這項研究的結果發表在7月17日的《科學進展》（Science Advances）雜誌上。

這種設計增強了對飛沫的排斥能力，可以應用於個人防護設備(PPE)，以更好地抵禦病毒顆粒，如COVID-19等。

賓夕法尼亞州立大學(Penn State)材料科學與工程系的博士生Lin Wang表示，過去幾十年來，傳統設計的防水錶面通常是基於植物，比如荷葉。「舊的工程技術模仿植物來製造超疏水或防水錶面。它們是用低固體分數的紋理製造的，在一個低密度的微觀的毛髮狀納米結構之上保持一層極薄的空氣：「其原因是，如果液滴或物體漂浮在空氣上方，它就不會粘在空氣表面，」機械和生物醫學工程副教授tako-sing Wong表示。

以往，由於它的有效性，人造塗層傾向於模仿這些納米結構的低密度。

但是，在最新的研究中，科學家們介紹了一種完全不同的方法。在高解析度電子顯微鏡下觀察蚊子的眼睛、彈尾蟲的身體或蟬的翅膀等表面時，Lin Wang發現這些表面上的納米級絨毛密度更大(Φs ~ 0.25到0.64)，在工程學中稱為高固體分數紋理（high solid fraction textures）。經過進一步的探索，這種與植物結構的顯著差異，可能會帶來更多的排水與斥水優勢。

圖1具有高固體分數納米級表面紋理的拒水昆蟲示例。(A)蚊子眼睛、彈尾蟲和蟬翅膀的光學和掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示了高固體分數納米級表面紋理的存在。

他指出，如果在表面上有高密度的這些納米結構，「在更大的衝擊力作用下保持空氣層的穩定性是可能的。」而且，這些結構可能會更有利於排斥速度更快的液體，比如雨滴。

雖然這種設計理念對人類來說是全新的，但研究人員認為這種納米結構增強了昆蟲在自然環境中的恢復力：「對於這些昆蟲的表面，排斥水滴是一個生死攸關的問題。雨滴的衝擊力足以把它們衝到地面並殺死它們……所以，讓它們保持乾燥非常重要，而我們找到了方法。」

研究人員希望利用從自然中獲得的知識，將這一設計原則應用到下一代塗料中。他們希望通過開發一種防水錶面，可以承受更快移動、更高強度的衝擊水滴，相關的應用潛力非常可觀。

從小型的、會飛的機器人交通工具(比如亞馬遜希望用來運送包裹的無人機)到商用客機，一種能夠模仿這些昆蟲表面的塗層將幫助提高設備的效率和安全性。

然而，鑑於COVID-19大流行，研究人員此後認識到這方面的知識可能對人類健康產生更多的影響。「我們希望，當開發出來後，這種塗層可以用於PPE。例如，如果有人在面罩周圍打噴嚏，這些高速飛沫就能被更好地排斥，並可能保持表面無菌。」「雖然在項目開始時我們沒有想到這一應用，但COVID-19讓我們思考如何利用這一設計原則，讓更多人受益。作為工程師，我們應該把這些發現用一種有意義的方式加以應用。」研究人員們表示。

這項研究是由美國國家科學基金會、PPG基金會、Covestro等資助的。研究團隊希望下一步開發一種大規模的、經濟有效的方法，來製造一種塗層並模擬上述的優異特性。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考來源：https://scitechdaily.com/nanostructure-of-mosquito-eye-could-help-engineer-enhanced-water-repellent-coatings/

http://www.sciencetimes.com/articles/26512/20200718/natural-water-repellent-nanostructure-found-insects.htm

https://advances.sciencemag.org/content/6/29/eabb2307

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