豬籠草捕蟲籠超滑表面黏附特性測(cè)量和抗黏穩(wěn)定性分析

王玉娟 宋小闖 陳云飛

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)(江蘇省微納生物醫(yī)療器械設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 211189)

豬籠草捕蟲籠超滑表面黏附特性測(cè)量和抗黏穩(wěn)定性分析

王玉娟 宋小闖 陳云飛

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)(江蘇省微納生物醫(yī)療器械設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 211189)

利用環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)表征紅瓶豬籠草葉籠蠟質(zhì)滑移區(qū)表面微觀結(jié)構(gòu)．利用手動(dòng)懸臂移動(dòng)法在原子力顯微鏡(AFM)無針尖探針懸臂上黏附15 μm二氧化硅微球模擬單根剛毛與豬籠草蠟質(zhì)區(qū)表面的接觸,對(duì)新鮮蠟質(zhì)區(qū)表面黏附力和摩擦力在干燥空氣環(huán)境和不同濕度條件的空氣環(huán)境中做定量測(cè)試,并以光滑玻璃和熱氯仿處理后的豬籠草表面作為參照．研究結(jié)果表明:豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面三維片狀蠟質(zhì)晶體是導(dǎo)致昆蟲在植物表面打滑的主要原因,該結(jié)構(gòu)能有效減小微球(或剛毛)與相應(yīng)接觸面的接觸面積,從而降低微球(或剛毛)的黏附力和摩擦力．豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面三維片狀蠟質(zhì)晶體能有效排除接觸區(qū)附近的水蒸氣,保證了豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)在不同的濕度條件下均能保持高效抗黏穩(wěn)定性．豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面的微構(gòu)筑模式為微納機(jī)電系統(tǒng)中抗黏附設(shè)計(jì)提供了絕佳的仿生學(xué)模板．

豬籠草;蠟質(zhì)區(qū);抗黏附;穩(wěn)定性

豬籠草屬于熱帶食蟲植物，原產(chǎn)地主要為舊大陸熱帶地區(qū).該地區(qū)土壤貧瘠，豬籠草的葉籠逐漸進(jìn)化出捕食小昆蟲的功能，從而獲得氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1-3].豬籠草擁有一個(gè)獨(dú)特的吸取營(yíng)養(yǎng)的器官——捕蟲籠，捕蟲籠呈圓筒形，籠口上方有蓋子.瓶身主要由3部分構(gòu)成：① 口唇區(qū)，形狀和顏色類似花朵并且能夠分泌蜜液，是吸引昆蟲的重要結(jié)構(gòu)之一.唇上有橫向平行的光滑的脊，濕潤(rùn)條件下形成潤(rùn)滑膜，使昆蟲打滑，落入籠中.② 蠟質(zhì)滑移區(qū)，蠟質(zhì)區(qū)存在于捕蟲籠內(nèi)表面的上部.光滑的蠟質(zhì)區(qū)會(huì)阻止落入捕蟲籠內(nèi)的昆蟲爬出.③ 消化區(qū)，位于捕蟲籠內(nèi)表面下部，表面有消化腺，能分泌消化液，淹死落入捕蟲籠中的昆蟲并消化它.3個(gè)區(qū)域相互協(xié)調(diào)共同作用,構(gòu)建了誘惑—滑落—抗黏—消化的完美捕蟲策略．其中,葉籠蠟質(zhì)滑移區(qū)是豬籠草屬植物捕獲昆蟲最重要的組成部分,它的抗黏附功能以及表面與昆蟲光滑腳墊或剛毛的相互作用機(jī)理受到生物學(xué)家和工程研究人員的廣泛關(guān)注.Gaume等[3]率先利用高倍攝像頭捕捉螞蟻和蒼蠅等昆蟲在豬籠草各功能表面的攀爬行為和被捕獲效率,區(qū)分了各功能區(qū)域的不同作用,驗(yàn)證了蠟質(zhì)滑移區(qū)表面的抗黏附功能．Bauer等[4-5]利用離心分離和微傳感器的方法測(cè)試了甲蟲在豬籠草滑移區(qū)和不同粗糙度拋光紙表面的黏附特性,認(rèn)為表面粗糙度是減小昆蟲黏附的關(guān)鍵．Kovalev等[6]利用數(shù)值模擬方法建立了基于流體運(yùn)動(dòng)學(xué)的二維模型,認(rèn)為豬籠草表面微結(jié)構(gòu)能有效地吸收昆蟲黏附器官的分泌液,導(dǎo)致其黏附失效．Grob等[7]在雙葉彈簧力學(xué)傳感器前端黏附一個(gè)柔軟的半球,模擬昆蟲光滑墊與蠟質(zhì)滑移區(qū)表面的接觸,認(rèn)為蠟質(zhì)晶體對(duì)昆蟲黏附器官的污染是導(dǎo)致其黏附失效的主要原因．王立新等[8]研究了豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)新月細(xì)胞的各向異性特性,用于蝗蟲捕集滑板的仿生設(shè)計(jì)．張鵬飛等[9]進(jìn)行了豬籠草內(nèi)表面微結(jié)構(gòu)和浸潤(rùn)性研究．

國(guó)內(nèi)外有關(guān)豬籠草捕蟲機(jī)制的研究取得一定進(jìn)展,但是關(guān)于其蠟質(zhì)滑移區(qū)的反黏附特性還未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí),其中一個(gè)重要原因就是可靠測(cè)量方法的缺失．離心分離法在測(cè)試過程中轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速通常高達(dá)每分鐘幾十到幾百轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)臺(tái)周圍空氣高速流動(dòng)影響了昆蟲自由狀態(tài)下的攀爬行為,所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度低．微傳感器法測(cè)量精度較高,但是通常要對(duì)昆蟲的自由活動(dòng)進(jìn)行限制且對(duì)于面積較小的測(cè)試平面不易操作．由于昆蟲黏附器官涉及到爪子、剛毛、光滑墊、黏附液等的耦合作用,直接測(cè)試?yán)ハx在被測(cè)表面的黏附和摩擦不能直觀反映植物表面脫附機(jī)理和表面特性,也難以研究單一黏附器官與植物表面的作用．?dāng)?shù)值模擬法和雙葉彈簧半球法規(guī)避了離心分離法和微傳感器法的缺陷,模擬結(jié)果直觀．但是數(shù)值模擬法模型簡(jiǎn)單、單一且施加了許多限定條件,與昆蟲的真實(shí)黏附狀況匹配度低．雙葉彈簧半球法相對(duì)于前述方法優(yōu)勢(shì)明顯,但是由于傳感精度、彈簧結(jié)構(gòu)和半球尺度等的限制,該方法只能模擬昆蟲光滑腳墊與植物表面的黏附狀態(tài),無法模擬剛毛與植物表面的接觸或光滑腳墊與植物表面的摩擦狀態(tài)．

本文利用原子力顯微鏡(AFM)高精度特征,在無針尖探針懸臂上黏附合適尺寸的微米小球模擬昆蟲單根剛毛與脫附植物表面的接觸,定量測(cè)試其黏附和摩擦特性,在此基礎(chǔ)上,分析空氣濕度對(duì)表面抗黏附穩(wěn)定性的影響．

1 試驗(yàn)原理及方法

1.1 微觀形貌表征

試驗(yàn)對(duì)象選用紅瓶豬籠草，表征儀器采用環(huán)境掃描電子顯微鏡(XL30，F(xiàn)EI-HPLIPS).試驗(yàn)前，取出鮮活的成株豬籠草，在口唇區(qū)下方約為1 cm的部位剪取長(zhǎng)寬各10 mm的樣品，用氮?dú)饩徛档舯砻娴母街?，盡量不破壞樣品表面形態(tài)，然后用雙面膠將試樣固定在光滑玻璃片上.同時(shí)選取光滑玻璃和去除三維蠟質(zhì)晶體的豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面做對(duì)照試驗(yàn)．將新鮮豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面浸入熱氯仿(北京化工廠生產(chǎn))中30 min,去除葉片表面的三維蠟質(zhì)晶體,然后用去離子水漂洗干凈,按照前述方法經(jīng)氮?dú)獯蹈珊笾苽涑蓸悠穫溆茫苽浜玫臉悠繁砻胬铆h(huán)境掃描電子顯微鏡在不同放大倍數(shù)下掃描觀察．

1.2 黏附力和摩擦力測(cè)量

1) 按照1.1節(jié)方法制備新鮮樣品備用．

2) 膠體探針制備.參照文獻(xiàn)[10],采用懸臂移動(dòng)法，利用AFM (Asylum Research美國(guó)原子力顯微鏡)的雙光路系統(tǒng)，選擇下光路，在CCD視窗幫助下，手動(dòng)移動(dòng)無針尖懸臂，使之接觸UV固化膠(東莞耀威有限公司)，在懸臂前端黏結(jié)適量膠水，然后手動(dòng)移動(dòng)無針尖懸臂，采用同樣方法使懸臂上的膠水與提前分散在光滑玻璃片上的15 μm的二氧化硅小球接觸并黏結(jié).處理好的懸臂用紫外線固化燈固化10 min，使UV固化膠充分固化.

3) 利用制備好的膠體探針測(cè)試干燥條件和不同濕度條件時(shí)的新鮮葉籠蠟質(zhì)滑移區(qū)、光滑玻璃和氯仿處理豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面的黏附力和摩擦力．新鮮蠟質(zhì)區(qū)和熱氯仿處理的蠟質(zhì)區(qū)表面的力學(xué)測(cè)試均在新月細(xì)胞之間的區(qū)域進(jìn)行,即掃描區(qū)域不涉及到新月細(xì)胞．掃描長(zhǎng)度為10 μm,掃描速度20 μm/s．通過在密閉小空間范圍內(nèi)的空氣加濕器和空氣除濕器共同作用來控制環(huán)境中的濕度,保持濕度值穩(wěn)定(偏差±2%)5 min 以上再進(jìn)行相關(guān)測(cè)試．

以豬籠草最常捕獲的昆蟲蒼蠅和甲蟲為例,昆蟲黏附墊上密集排布著一根根剛毛,單根剛毛底部近似平面．根據(jù)物種不同和年齡差異,剛毛直徑分布為1～6 μm[11-12]．根據(jù)JKR黏著理論,15 μm二氧化硅微球在零載荷條件下與光滑表面的接觸面直徑與單根剛毛接近[13],因此利用15 μm二氧化硅微球模擬單根剛毛與各平面的接觸是合理的．

由于膠體探針的側(cè)向靈敏度α難以準(zhǔn)確校正,因此正壓力和摩擦力分別用法向偏轉(zhuǎn)電壓Vn(Vn=Fn/β)和側(cè)向偏轉(zhuǎn)電壓Vf(Vf=Ff/α)來表示．其中,Fn,Ff分別為正壓力和摩擦力;β,α分別為膠體探針的法向靈敏度和側(cè)向靈敏度．

1.3 浸潤(rùn)特性分析

利用接觸角測(cè)量?jī)x(JC2000D)測(cè)量新鮮豬籠草蠟質(zhì)區(qū)表面、光滑玻璃和熱氯仿處理的豬籠草蠟質(zhì)區(qū)表面的接觸角．利用微量進(jìn)樣器取去離子水2 μL滴在樣品表面，每個(gè)樣品在不同位置選取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，這些點(diǎn)測(cè)量值的平均值作為該樣品表面與去離子水的接觸角.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面形貌

新鮮蠟質(zhì)滑移區(qū)表面存在著新月形結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)都朝向下方，形成如圖1(b)和(c)所示凸面輪廓.同時(shí)整個(gè)蠟質(zhì)區(qū)還存在一層蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，單片蠟質(zhì)晶體近似垂直排列在葉籠內(nèi)壁，相互之間交叉排列成網(wǎng)狀，如圖1(d)和(e)所示.

(a) 紅瓶豬籠草

(d) 片狀蠟質(zhì)晶體1

圖1 豬籠草籠蠟質(zhì)滑移區(qū)表面微觀結(jié)構(gòu)的ESEM圖

如圖2所示,熱氯仿處理的豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面的絕大部分蠟質(zhì)晶體被去除,新月細(xì)胞之間的區(qū)域呈光滑狀態(tài)．

(a) 氯仿處理后滑移區(qū)

(b) 紅色區(qū)域放大圖

2.2 干燥空氣條件下樣品表面的黏附和摩擦特性

如圖3(a)、(b)所示,干燥空氣條件下,新鮮豬籠草蠟質(zhì)區(qū)表面的黏附力和摩擦力明顯小于光滑玻璃表面．熱氯仿處理的蠟質(zhì)區(qū)表面相對(duì)新鮮豬籠草蠟質(zhì)區(qū)表面其黏附力提高了約12倍,摩擦力提高了約7倍,但其黏附力和摩擦力都略小于光滑玻璃表面．進(jìn)一步分析此現(xiàn)象,干燥且不導(dǎo)電的兩表面接觸時(shí),主要靠分子間范德華力提供黏附力．玻璃和熱氯仿處理的蠟質(zhì)區(qū)表面較光滑,微球(或昆蟲剛毛)與之相互作用時(shí)接觸面積較大,如圖4(a)所示,產(chǎn)生較大黏附力．而新鮮的豬籠草蠟質(zhì)區(qū)表面近似垂直排列著片狀蠟質(zhì)晶體,微球(或昆蟲剛毛)與其基本是點(diǎn)接觸(見圖4(b)),因此削弱了微觀尺度的黏附作用．另外,從能量角度分析,接觸面積越小,兩接觸表面分離和相對(duì)運(yùn)動(dòng)所需要克服的黏著能和作用勢(shì)就越小,因而黏附力就越?。砻嫖锢砘瘜W(xué)性質(zhì)的差異以及熱氯仿處理的豬籠草表面殘存少量蠟質(zhì)晶體殘留物,所以其黏附力和摩擦力略小于光滑玻璃．

(a) 黏附力

(b) 摩擦力

(a) 光滑表面

(b) 豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面

2.3 濕度條件對(duì)抗黏穩(wěn)定性的影響

為了研究環(huán)境濕度對(duì)新鮮豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面抗黏附穩(wěn)定性的影響,本文還測(cè)量了不同空氣濕度條件下新鮮蠟質(zhì)區(qū)及其對(duì)照表面的黏附力和摩擦力．如圖5(a)、(b)所示,小濕度條件下(RH<35%),光滑玻璃表面的黏附力和摩擦力隨著濕度增加顯著增大,濕度增加到一定程度,摩擦力和黏附力的增速趨緩,當(dāng)濕度增到50%左右時(shí),黏附力幾乎保持穩(wěn)定,摩擦力開始急劇下降．氯仿處理的豬籠草蠟質(zhì)區(qū),在小濕度條件下,黏附力和摩擦力對(duì)濕度變化不敏感,大濕度條件下兩者均顯著增加．然而,新鮮的豬籠草蠟質(zhì)區(qū)表面在整個(gè)濕度范圍內(nèi)黏附力和摩擦力幾乎不變,始終保持高效抗黏附特征．

(a) 黏附力

(b) 摩擦力

濕度空氣環(huán)境中,2個(gè)不帶表面電荷且親水性固體界面相互靠近或接觸時(shí),通?？諝庵械乃魵馔ㄟ^自然冷凝進(jìn)入固體表面裂縫形成液橋．此時(shí)黏附力由毛細(xì)橋梁形成的毛細(xì)力、分子間范德華力和液體表面張力的垂直分量3部分構(gòu)成,表面張力的垂直分量與毛細(xì)力和范德華力相比非常小,因此通常忽略不計(jì),黏附力表達(dá)式[14-15]可寫為

Fadh=Fcap+Fvdw+Ft≈Fcap+Fvdw

(1)

式中,Fadh為界面間的黏附力;Fcap為毛細(xì)力;Fvdw為固-固接觸的范德華力;Ft為表面張力的垂直分量．

光滑玻璃表面的水接觸角為29°(見圖6),表現(xiàn)為強(qiáng)親水性．因此小濕度條件下,空氣中的水蒸氣能迅速進(jìn)入接觸區(qū)域冷凝形成毛細(xì)液橋．而且由于水分子作用,固-固黏著形成的范德華力減小,毛細(xì)力迅速增加．由于微米尺度范圍內(nèi)毛細(xì)力增大量遠(yuǎn)大于范德華力的減少量[14],因此，黏附力迅速增

加．另外由于液橋的形成,兩固體界面間水膜面積增大,微球側(cè)向運(yùn)動(dòng)需要做更多功破壞液橋內(nèi)部的拉普拉斯壓力,因此光滑玻璃表面摩擦力也隨之迅速增加．當(dāng)濕度增加到35%～50%時(shí),液橋形態(tài)趨于穩(wěn)定,形成圖7(a)所示的穩(wěn)定彎月狀液面．此時(shí)的黏附力可表示為[14-15]

Fadh≈Fcap+Fvdw

=2πRγL(cosθ1+cosθ2)+1.5πRw12L

(2)

式中,R為微球半徑;γL為水的表面張力;θ1,θ2分別為上、下界面的接觸角;w12L為液橋狀態(tài)下固-固界面的黏著能．由式(2)可看出,穩(wěn)定液橋狀態(tài)下毛細(xì)力僅與表面張力、微球半徑和兩界面的接觸角有關(guān),與液體體積和液橋面積無關(guān)．由于此濕度范圍內(nèi)液橋彎月面形態(tài)趨于穩(wěn)定和飽和,黏附力和摩擦力增速變緩．大濕度空氣環(huán)境(RH>50%)下,摩擦力急劇下降,說明隨著濕度的增加,微球與植物表面被形成的連續(xù)多分子層水膜隔開,如圖7(b)所示．由于水的黏度很低,多分子層水膜起到潤(rùn)滑作用,造成摩擦力急劇下降．在此過程中,范德華力消失,θ2=0,黏附力可表示為[14-15]

Fadh≈Fcap=2πRγL(cosθ1+1)

(3)

在微觀尺度下，范德華力的減少量小于毛細(xì)力的增量,所以此階段,黏附力略微增大．

熱氯仿處理的豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面接觸角為71°(見圖6),表現(xiàn)出弱親水性.小濕度條件下,摩擦力和黏附力隨濕度增大微量增加,大濕度條件下摩擦力和黏附力增幅顯著．說明小濕度條件下,水蒸氣在其表面形成液橋的能力弱于強(qiáng)親水性的光滑玻璃表面．而在大濕度條件下,微球表面迅速形成毛細(xì)液橋,摩擦力和黏附力急劇增加．

(a) 穩(wěn)定的彎月面液橋模型

(b) 多分子層水膜狀態(tài)下液橋模型

新鮮豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面的水接觸角為155°(見圖6),表現(xiàn)出超疏水性,在整個(gè)濕度范圍內(nèi),其黏附力和摩擦力幾乎不受空氣濕度影響,均保持較低值,即在整個(gè)濕度范圍內(nèi)均能保持高效抗黏附功能．新鮮豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)超疏水特性以及表面蠟質(zhì)滑移區(qū)的三維微結(jié)構(gòu)能有效排除接觸區(qū)附近的水蒸氣,始終保持微球或昆蟲剛毛與植物表面的固-固接觸．

3 結(jié)論

1) 豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面三維片狀蠟質(zhì)晶體是其導(dǎo)致昆蟲黏附系統(tǒng)失效的主要原因．此結(jié)構(gòu)能有效減小昆蟲剛毛與基底的接觸面積,降低剛毛的黏附力和摩擦力．

2) 豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面的三維構(gòu)筑能有效排除剛毛與其接觸區(qū)附近的水蒸氣,使兩者始終保持固-固點(diǎn)接觸,從而在整個(gè)濕度范圍內(nèi)均保持高效抗黏附功能．

豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面的抗黏附構(gòu)筑模式為微納機(jī)電系統(tǒng)中的低黏附設(shè)計(jì)提供了絕佳的仿生學(xué)模板．

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Measurement of adhesion properties and analysis of anti-adhension stability on super-slippery surfaces of nepenthes pitchers

Wang Yujuan Song Xiaochuang Chen Yunfei

(School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(Jiangsu Key Laboratory for Design and Manufacture of Micro-nano Biomedical Instruments,Southeast University, Nanjing 211189, China)

The micro-topography of nepenthes waxy zone surfaces was acquired by environment scanning electron microscope (ESEM). Colloid probe using hand-operated cantilever moving method was used to behave as a single seta by gluing a 15 μm silica sphere onto the probe cantilever equipped without tips. Adhesion and friction forces of the fresh waxy zone surface were measured under dry and various humid conditions using these colloid probes, and compared with those of smooth glasses and waxy zone surfaces after exposed in hot chloroform. The results show that three-dimensional wax crystals of nepenthes surface play a key role in leading to the insect slipping on these surfaces, because the structure lowers the adhesion and friction forces by reducing the contact area between the tiny sphere/seta and the surfaces. Additionally, these three-dimensional wax crystals can efficiently drive away water vapor around the contact area, thus keeping the waxy zone with an efficient and highly stable anti-adhesion under various humid conditions. The surface architecture of nepenthes waxy zones provides an excellent bionic model for the anti-adhesion design in micro-nano electromechanical systems.

nepenthes; waxy zone;anti-adhesion; stabilization

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.011

2016-08-11. 作者簡(jiǎn)介: 王玉娟(1974—)，女，博士，副教授，yujuanwang@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51345012).

王玉娟,宋小闖,陳云飛.豬籠草捕蟲籠超滑表面黏附特性測(cè)量和抗黏穩(wěn)定性分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(2):259-264.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.011.

TH117

A

1001-0505(2017)02-0259-06