部分蝽類昆蟲翅表微納結(jié)構(gòu)與浸潤性研究

朱 琳,孫明霞*,梁愛萍,2*

(1. 天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,天津市動(dòng)物多樣性保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387; 2. 中國科學(xué)院動(dòng)物學(xué)研究所,北京 100101)

自然界中種類繁多的生物經(jīng)過億萬年的優(yōu)勝劣汰、生存斗爭,為了適應(yīng)不斷變化的環(huán)境,逐漸具有了與其生境高度適應(yīng)的功能特性(任露泉和梁云虹,2010)。自然界中諸多動(dòng)植物體表的多尺度形貌結(jié)構(gòu)賦予其表面特殊的浸潤性,自然界中“荷葉效應(yīng)”就是最典型的現(xiàn)象,德國植物學(xué)家Barthlott和Neinhuist(1997)發(fā)現(xiàn)荷葉表面具有獨(dú)特的微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu),荷葉上的水珠可以自由滾動(dòng),帶走葉面上的污垢從而達(dá)到自我清潔的效果。在水稻葉表面也發(fā)現(xiàn)液滴單向運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象,水稻葉片表面具有與荷葉類似的微納復(fù)合突起結(jié)構(gòu),這些突起結(jié)構(gòu)排列不均勻是其表面水滴各向異性滾動(dòng)的主要原因(Fengetal., 2002)。除了荷葉、水稻、玫瑰(Fengetal., 2008; Fengetal., 2011)等植物上可以看到這種浸潤現(xiàn)象外,昆蟲翅表的浸潤性也備受關(guān)注。昆蟲是唯一一種有翅會(huì)飛行的無脊椎動(dòng)物,昆蟲翅膀經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化,已經(jīng)成為自然界中最復(fù)雜的三維周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)材料之一,具有熒光、超疏水、抗反射和快速導(dǎo)熱性等優(yōu)良特性(Liuetal.,2017;Shahalietal., 2019)以及出色的飛行技能等多種不同的功能。1996年,Wagner等人(1996)對(duì)97種昆蟲翅膀的浸潤性進(jìn)行了研究,浸潤性與“SM指數(shù)”(SM Index,翅膀表面積與身體質(zhì)量的商)之間存在相關(guān)性。高“SM指數(shù)”的昆蟲,例如具有“大型翅膀”的蜻蜓目(彎艷玲等,2008)、脈翅目(Watsonetal., 2010, 2011)和許多鱗翅目(房巖等,2007;Zhengetal., 2007)都具有超疏水性的翅膀,并隨著水滴的滾動(dòng)來去除翅表的污物。而低“SM指數(shù)”的具有“小型翅膀”的昆蟲,如膜翅目(韓宜偉,2017)和鞘翅目(Sunetal., 2012)則往往呈現(xiàn)出更多的親水特性。浸潤性表面在實(shí)際應(yīng)用中,如自清潔材料、防霧化或防冰玻璃、防水織物和仿生物粘合劑表面的制備,需要對(duì)其表面性能如浸潤性等進(jìn)行精確的控制和工程設(shè)計(jì)(Wangetal., 2017; Chenetal., 2019; Patiletal., 2022)。具有微納復(fù)合尺度形貌的生物表面結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過多種技術(shù)成功地應(yīng)用于仿生功能性表面的制造當(dāng)中(Lietal., 2021; Huetal., 2022; Quetal., 2023; Wangetal., 2023)。而這些文章大多是針對(duì)同質(zhì)的翅膀(整個(gè)翅膀均為膜質(zhì)或均為鞘翅)進(jìn)行的研究,而對(duì)異質(zhì)的翅膀(整個(gè)翅膀既有膜質(zhì)又有革質(zhì))的浸潤性研究還尚未被報(bào)道。作為典型半翅目昆蟲之一的蝽類,其翅表浸潤性研究報(bào)道較少。蝽類昆蟲屬于六足亞門、昆蟲綱、有翅亞綱、半翅目、蝽科,其前翅基半部革質(zhì),端半部膜質(zhì),為半鞘翅。多為植食性,刺吸植物莖葉或果實(shí)的液汁,常棲息于山地和平原,見于林緣、河谷、灌叢和草丘中、也常出沒在石洞、樹洞或倒木下。本文選擇了20種不同生境的蝽類昆蟲,對(duì)其前翅的革質(zhì)、膜質(zhì)區(qū)浸潤性、微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分進(jìn)行研究,研究結(jié)果可為不同機(jī)械性能材料浸潤性研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

蝽類昆蟲(如圖1-A～F)標(biāo)本于2021年7月采自重慶市(南川區(qū))、貴州省(赤水市、習(xí)水縣)和山東省(煙臺(tái)市),隸屬9科17屬20種,共300頭成蟲標(biāo)本。標(biāo)本鑒定由昆蟲分類學(xué)家?guī)椭瓿?采用系統(tǒng)分類法進(jìn)行分類鑒定。

圖1 蝽類成蟲

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和方法

實(shí)驗(yàn)前,用流動(dòng)的去離子水把20種蝽類昆蟲前翅革質(zhì)和膜質(zhì)區(qū)(圖1-G)清洗干凈,用手術(shù)剪截取2 mm×2 mm尺寸的樣品。將樣品粘貼在載玻片上,應(yīng)用KRUSS公司生產(chǎn)的DSA30S型全自動(dòng)接觸角測(cè)量儀采用坐滴法測(cè)量接觸角,液滴大小為2 μL,溫度為25±1℃。平行樣本10個(gè),計(jì)算其平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用IBM SPSS Statistics 26軟件,對(duì)20種蝽類昆蟲翅表革質(zhì)、膜質(zhì)區(qū)接觸角進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn),并對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行person相關(guān)性分析,采用OriginPro 2021制作柱形圖。

將樣品粘于掃描電鏡樣品柱上,在24 mA電流下,使用BAL-TEC SCD005型離子濺射儀噴金300秒處理,然后在FEI公司生產(chǎn)的Quanta 200型掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀測(cè)。并使用Image J軟件測(cè)量微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),重復(fù)10次,計(jì)算其平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3種蝽類昆蟲翅表的化學(xué)物質(zhì)成分應(yīng)用Thermo Scientific公司生產(chǎn)的傅里葉紅外光譜儀(FT-IR is50)進(jìn)行分析,使用Origin 2021軟件對(duì)紅外光譜做后續(xù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 接觸角及數(shù)據(jù)分析

為了研究蝽類昆蟲翅表浸潤性,分別測(cè)量了20種蝽類翅表革質(zhì)、膜質(zhì)區(qū)的靜態(tài)接觸角,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),蝽類昆蟲翅膀表面接觸角范圍為40.66°～138.37°(見表1),按照蝽類昆蟲翅表革質(zhì)、膜質(zhì)區(qū)的靜態(tài)接觸角的大小將其分為3類(圖2)。其中紫藍(lán)曼蝽Menidaviolacea、碩蝽Eurostusvalidas、茶翅蝽Halyomorphahalys、麻皮蝽Erthesiafullo、金綠寬盾蝽Poecilocorislewisi和小斑紅蝽Physopeltacincticollis疏水性較強(qiáng),革質(zhì)區(qū)接觸角分別為97.13°、102.56°、105.63°、111.52°和138.57°,膜質(zhì)區(qū)為85.88°、97.57°、102.71°、95.63°、91.81°和126.82°,革質(zhì)區(qū)比膜質(zhì)區(qū)疏水性強(qiáng)。稻棘緣蝽Mictistenebrosa、泛刺同蝽Acanthosomanigrodorsum、曲脛侎緣蝽Cletuspunctiger和廣腹同緣蝽Homoeocerusdilatatus呈現(xiàn)親水性及弱疏水性,革質(zhì)區(qū)接觸角分別為40.66°、62.57°、68.88°和93.71°,膜質(zhì)區(qū)為79.93°、74.76°、78.59°和104.66°,膜質(zhì)區(qū)比革質(zhì)區(qū)疏水性強(qiáng)。赤條蝽Graphosomarubrolineata、稻綠蝽Nezaraviridula、環(huán)斑猛獵蝽Sphedanolestessinicus、菜蝽Eurydemadominulus、荔蝽Tessaratomapapillosa、橫帶紅長蝽Lygaeusequestris、珀蝽Plautiafimbricius、負(fù)子蝽Sphaerodemarustica、中稻緣蝽Leptocorisachinensis和斑須蝽Dolycorisbaccarum呈現(xiàn)親水性及弱疏水性,革質(zhì)區(qū)接觸角分別為61.07°、64.68°、81.12°、81.91°、82.34°、83.80°、83.83°、91.16°、94.72°和100.95°,膜質(zhì)區(qū)為61.32°、71.24°、77.24°、77.77°、80.65°、83.81°、81.45°、90.55°、93.00°和103.58°,革質(zhì)區(qū)與膜質(zhì)區(qū)疏水性趨近。

表1 20種蝽類昆蟲翅表革質(zhì)、膜質(zhì)區(qū)的靜態(tài)接觸角

圖2 三類翅表革質(zhì)區(qū)和膜質(zhì)區(qū)接觸角圖

采用SPSS軟件對(duì)蝽類昆蟲革質(zhì)和膜質(zhì)區(qū)接觸角進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn),結(jié)果顯示曲脛侎緣蝽、稻棘緣蝽、泛刺同蝽、紫藍(lán)曼蝽、麻皮蝽、金綠寬盾蝽和小斑紅蝽的革質(zhì)和膜質(zhì)區(qū)接觸角具有極顯著性差異(P<0.001),碩蝽和廣腹同緣蝽的革質(zhì)和膜質(zhì)區(qū)接觸角差異較顯著(P<0.01),茶翅蝽的革質(zhì)和膜質(zhì)區(qū)接觸角具有顯著性差異(P<0.05),而另外的10種蝽類昆蟲的革質(zhì)和膜質(zhì)區(qū)接觸角無顯著性差異(P≥0.05)。因此,根據(jù)靜態(tài)接觸角值和獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果分為革質(zhì)區(qū)疏水性弱于、強(qiáng)于和趨于膜質(zhì)區(qū)3類進(jìn)行研究(圖3)。

圖3 20種蝽類昆蟲翅表革質(zhì)與膜質(zhì)區(qū)接觸角差異分析柱形圖

2.2 翅表微觀結(jié)構(gòu)

經(jīng)過掃描電子顯微鏡觀測(cè),20種蝽類昆蟲翅表微觀表面結(jié)構(gòu)具有多樣性。6種蝽類昆蟲翅表革質(zhì)區(qū)比膜質(zhì)區(qū)的疏水性強(qiáng),電鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)紫藍(lán)曼蝽和碩蝽革質(zhì)區(qū)分布著長短不一的剛毛(圖4-A,C),但密度較為稀疏,呈現(xiàn)較弱疏水性,膜質(zhì)區(qū)僅有少量凸起(圖4-B,D)。茶翅蝽革質(zhì)區(qū)分布著不規(guī)則裂紋及少量分泌物,膜質(zhì)區(qū)則布滿皺紋(圖4-E,F)。麻皮蝽革質(zhì)區(qū)分布著大量無規(guī)則排列的凸起和分泌物,膜質(zhì)區(qū)具有低密度的凸起(圖4-G,H)。金綠寬盾蝽革質(zhì)區(qū)具有蜂窩狀六邊形乳突結(jié)構(gòu),里面布滿大小不一的圓柱形乳突,每個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)由約29～40個(gè)乳突組成(高度0.903±0.286 μm,直徑0.676±0.138 μm,間距0.995±0.141 μm)。膜質(zhì)區(qū)則分布著大量不規(guī)則凸起,革質(zhì)區(qū)的乳突結(jié)構(gòu)使其疏水性明顯強(qiáng)于膜質(zhì)區(qū)(圖4-I,J)。小斑紅蝽的翅翼表面結(jié)構(gòu)為圓柱形乳突,頂端近似球形,結(jié)構(gòu)基部明顯增大,革質(zhì)區(qū)具有高約1.516±0.293 μm的乳突(直徑0.702±0.170 μm,間距1.191±0.132 μm),膜質(zhì)區(qū)具有高約1.227±0.122 μm的乳突(直徑0.491±0.061 μm,間距0.655±0.158 μm),革質(zhì)區(qū)比膜質(zhì)區(qū)的乳突結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較大的高度、直徑和間距,使革質(zhì)區(qū)翅表疏水性更強(qiáng)(圖4-K,L)。這些粗糙結(jié)構(gòu)能有效減少與水的接觸面積,有助于增大接觸角,有效使蝽類昆蟲翅表革質(zhì)區(qū)具有更高的疏水性。4種蝽類昆蟲翅表的膜質(zhì)區(qū)比革質(zhì)區(qū)更為疏水,翅表膜質(zhì)區(qū)具有橢圓形突起和分泌物,且比革質(zhì)區(qū)的相對(duì)密度更高。掃描電鏡圖像顯示廣腹同緣蝽和曲脛侎緣蝽的革質(zhì)區(qū)和膜質(zhì)區(qū)都分布著大小不一的橢圓形突起和分泌物,但革質(zhì)區(qū)的突起密度較低,這些結(jié)構(gòu)的低密度,將不足以抵抗水滴停留在結(jié)構(gòu)之間的滲透,使水易于滑動(dòng)到翅表上,疏水性較弱(圖5-A,B,E,F)。稻棘緣蝽膜質(zhì)具有凹凸不平的褶皺,而革質(zhì)區(qū)較為平坦光滑(圖5-C,D)。泛刺同蝽膜質(zhì)區(qū)分布有不規(guī)則的橢圓形突起,疏水性較強(qiáng),而革質(zhì)區(qū)僅分布著不規(guī)則圖案,較為平坦(圖5-G,H)。

圖4 6種蝽類昆蟲翅表革質(zhì)區(qū)和膜質(zhì)區(qū)電鏡圖

圖5 4種蝽類昆蟲翅表革質(zhì)區(qū)和膜質(zhì)區(qū)電鏡圖

而在10種蝽類昆蟲中,翅表革質(zhì)、膜質(zhì)區(qū)疏水性沒有顯著差異,如圖6中的赤條蝽、荔蝽、珀蝽、負(fù)子蝽、中稻緣蝽和斑須蝽疏水性較弱,掃描電鏡顯示革質(zhì)區(qū)和膜質(zhì)區(qū)的翅面結(jié)構(gòu)相似,僅具有大小不一的隆起和分泌物,表面較為平坦,無明顯粗糙結(jié)構(gòu)。

圖6 6種蝽類昆蟲翅表革質(zhì)區(qū)和膜質(zhì)區(qū)電鏡圖

2.3 化學(xué)成分分析

采用傅立葉紅外光譜儀對(duì)3種蝽類昆蟲(小斑紅蝽、荔蝽、曲脛侎緣蝽)前翅革質(zhì)和膜質(zhì)區(qū)表面成分進(jìn)行了定性分析,這3種蝽類昆蟲翅表革質(zhì)區(qū)疏水性分別強(qiáng)于(小斑紅蝽)、弱于(曲脛侎緣蝽)和趨于(荔蝽)膜質(zhì)區(qū)(見表1),探究其表面化學(xué)成分對(duì)不同翅面疏水性的影響。分析結(jié)果顯示紅外光譜特征峰相近,整體結(jié)構(gòu)相似。在3 280、2 920、2 850、1 621、1 540、1 400、1 240、1 160、1 060 cm-1處有吸收峰(圖7)。3 280 cm-1處的吸收帶由酚類、醇類或羧酸的O-H、N-H基伸縮振動(dòng)引起;2 920 cm-1、2 850 cm-1處的吸收帶顯示翅表面含有脂肪烴結(jié)構(gòu);1 621、1 540 cm-1處的吸收帶顯示翅表面含有苯環(huán)結(jié)構(gòu);1 240、1 160、1 060 cm-1處的吸收帶是由酸酐、酰氯、酯、醛、酮、羧酸、酰胺官能團(tuán)的C-O基伸縮振動(dòng)引起。蠟質(zhì)層是長鏈烴類、脂肪酸、醇,以及酯(由長鏈醇和長鏈脂肪酸形成)等組成的混合物,所以其紅外光譜在此處有明顯的吸收峰存在,表明蝽類昆蟲翅表分布著長鏈烴類、脂肪酸酯和脂肪酸醇構(gòu)成的蠟質(zhì)層。圖中紅色實(shí)、虛線分別表示小斑紅蝽革、膜質(zhì)區(qū);綠色實(shí)、虛線分別表示荔蝽革、膜質(zhì)區(qū);藍(lán)色實(shí)、虛線分別表示曲脛侎緣蝽革、膜質(zhì)區(qū)。

圖7 小斑紅蝽、荔蝽和曲脛侎緣蝽翅表革質(zhì)區(qū)和膜質(zhì)區(qū)紅外光譜圖

2.4 疏水機(jī)理分析

接觸角(Contact angle)是指在固、液、氣三相交界處,自固-液界面經(jīng)過液體內(nèi)部到氣-液界面之間的夾角,即從液固氣三相態(tài)相交點(diǎn)作氣-液界面的切線,該切線與液滴及平面之間的夾角,通常用θ表示。利用接觸角能直觀地衡量液體對(duì)固體的浸潤程度。

1805年,Young提出了液滴與光滑固體表面的接觸模型,如圖8-a所示。當(dāng)液滴在光滑固體表面達(dá)到平衡時(shí),固-氣、固-液、液-氣界面張力與接觸角之間的關(guān)系方程,即Young’s方程(Young, 1805),它是研究所有浸潤現(xiàn)象的定量理論基礎(chǔ),見式(1)。式中γSG為固-氣的界面張力、γSL為固-液的界面張力、γLG為液-氣的界面張力。然而,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該模型的最大接觸角只能達(dá)到120°左右,這與超疏水表面接觸角大于150°的事實(shí)不相符,因此Young’s模型只適合光滑均勻的理想模型。

圖8 6種固液接觸型(Wang &Jiang,2007)

(1)

現(xiàn)實(shí)中大多數(shù)固體表面是非光滑的,布滿各種形狀的粗糙結(jié)構(gòu),例如蛾翅表的鱗片結(jié)構(gòu)(張建軍,2008),蟬翅表面的乳突結(jié)構(gòu)(Jessicaetal., 2020)?，F(xiàn)階段除了Young’s 模型外,還有另外5種模型來描述水滴與材料表面為形貌結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài):Wenzel模型、Cassie-Baxter模型、Lotus模型、Wenzel與Cassie的過渡態(tài)模型以及Gecko模型(圖8)。

Wenzel(1936,1949)認(rèn)為由于表面粗糙結(jié)構(gòu)的存在,液體始終會(huì)將表面上的凹槽結(jié)構(gòu)填滿,增加了固體表面真實(shí)的表面積,使得實(shí)際固液接觸面積大于表觀幾何接觸面積(圖8-b),導(dǎo)致疏水性的增強(qiáng),建立了Wenzel方程,見式(2)。

cosθ=γcosθe

(2)

式中:θ代表液體在粗糙表面的表觀接觸角;θe代表液體在理想的光滑平面上的真實(shí)接觸角(本征接觸角),由固體表面的化學(xué)組成決定。γ定義為粗糙度因子,也就是實(shí)際固液接觸面面積與本征固液接觸面面積的比值。

Wenzel方程不適用于解釋由不同種類的化學(xué)物質(zhì)組成的固體表面(即異質(zhì)表面)。Cassie和Baxter提出粗糙的表面可以被視為不均勻的固體表面,當(dāng)固體表面高度疏水時(shí),假設(shè)液滴無法填滿非光滑表面的凹槽,表面的溝槽中會(huì)滯留一部分空氣,使得凹槽處的液體無法與固體表面直接接觸,這導(dǎo)致液滴與固體表面的接觸變成一部分液體與固體表面直接接觸,還有一部分的液體會(huì)與凹槽內(nèi)的空氣接觸。液滴在這種微納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)表面上的接觸是一種固-氣-液復(fù)合接觸,即復(fù)合潤濕狀態(tài)。這種微納米級(jí)的表面可以吸附空氣,并在其表面形成一層空氣膜?？諝饽さ拇嬖谑挂旱尾荒芴顫M粗糙表面上的縫隙和凹槽,從而導(dǎo)致在水滴的下面截流有空氣,表觀上的固液接觸實(shí)際上由固-液、固-氣共同組成(圖8-c),并提出了一種液滴在固-液-氣復(fù)合界面計(jì)算接觸角的方程(Wangetal., 2009; Barthlottetal., 2017),見式(3)。

cosθ=φs(1+cosθe)-1

(3)

式中:φs代表固體在復(fù)合接觸面中所占面積的百分比值,0<φs<1。

江雷等人(2007)根據(jù)疏水表面不同的接觸角滯后,認(rèn)為疏水表面狀態(tài)還包括Lotus狀態(tài)、Wenzel與Cassie的過渡態(tài)以及Gecko狀態(tài)等3種(圖8-d～f)。Lotus狀態(tài)指的是指具有大接觸角和極小滾動(dòng)角的Cassie狀態(tài)的一種特例,這種具有類似荷葉表面結(jié)構(gòu)的自清潔效應(yīng)(圖8-d)。此外,還存在一種Wenzel與Cassie的過渡態(tài),液滴在外力作用下會(huì)改變其浸潤狀態(tài),變?yōu)槿鐖D8-e所示的浸潤狀態(tài),即產(chǎn)生一種叫做過渡態(tài)的浸潤狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)過渡態(tài)發(fā)生時(shí),接觸角減小,表面對(duì)水滴的黏附力增加,水滴可以在表面以一定傾斜角度滑動(dòng),因此當(dāng)前超疏水表面理論研究的重點(diǎn)是如何設(shè)計(jì)最優(yōu)的表面結(jié)構(gòu),避免產(chǎn)生過渡態(tài)。Gecko狀態(tài)是指接觸角較高、粘附性較高的一種狀態(tài)(圖8-f)。

本研究的蝽類昆蟲中小斑紅蝽的疏水性較強(qiáng),如圖9所示的小斑紅蝽翅膀上非光滑疏水表面的模型,其特征參數(shù)R,h,d分別表示圓柱半徑、圓柱高度、圓柱間距,則φs=πR2/d2,表面粗糙度因子γ=(d2+2πRh)/d2。

圖9 小斑紅蝽翅表革質(zhì)部分柱狀乳突結(jié)構(gòu)模型

小斑紅蝽翅表革質(zhì)和膜質(zhì)區(qū)接觸角分別為138.37°和126.82°,具有較高疏水性,革質(zhì)區(qū)具有高約1.516±0.293 μm的乳突(直徑0.702±0.170 μm,間距1.191±0.132 μm),膜質(zhì)區(qū)具有高約1.227±0.122 μm的乳突(直徑0.491±0.061 μm,間距0.655±0.158 μm),蝽類昆蟲翅表主要由蠟質(zhì)晶體(Waxcrystals)構(gòu)成,水滴在其光滑表面的本征接觸角約為105°(Wan, 2009)左右,θe取105°時(shí),由翅表面柱狀乳突結(jié)構(gòu)參數(shù)可知R和d值,計(jì)算出φs和γ,利用Wenzel模型(式(2))、Cassie模型(式(3))計(jì)算出翅表革質(zhì)區(qū)理論接觸角分別為67.04°和142.94°,與實(shí)際所測(cè)相對(duì)誤差分別為51.55%和3.30%。翅表膜質(zhì)區(qū)理論接觸角分別為93.44°和132.29°,與實(shí)際所測(cè)相對(duì)誤差分別為 26.32%和4.31%。因此認(rèn)為小斑紅蝽翅表微觀結(jié)構(gòu)浸潤模型滿足Cassie-Baxter模型,翅表面微米級(jí)柱狀突起的間隙被空氣占據(jù),柱體與水滴之間穩(wěn)定地吸附一層氣膜,水滴無法進(jìn)入凹槽,不能與翅表面充分接觸(只與乳突頂端接觸)形成復(fù)合接觸,因此水滴接觸時(shí)可產(chǎn)生Cassie-Baxter狀態(tài),進(jìn)而產(chǎn)生相對(duì)最大的接觸角。

生活在不同棲息地的昆蟲其翅表浸潤性有所差異(Sun, 2012; Junhoetal., 2017),本文研究的蝽類昆蟲生活在不同的生境中,小斑紅蝽、金綠寬盾蝽、茶翅蝽、麻皮蝽、碩蝽、紫藍(lán)曼蝽、斑須蝽和泛刺同蝽主要寄生于植物中上層,例如果樹(蘋果、梨、桃、葡萄、柑橘和山楂樹等)和林木(柳、松、白櫟、梧桐樹等)?；顒?dòng)于植物中上層的這些蝽類昆蟲翅表疏水性較強(qiáng),接觸角為91.81°～138.67°,翅表具有乳突、不規(guī)則凸起和皺紋等粗糙結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致了高接觸角。這些蝽類昆蟲翅表呈現(xiàn)較高疏水性使其可以寄生于植物中上層,雨天不至于從高處跌落,并能帶走翅表顆粒污染物,豐富了蝽類昆蟲的食物來源,從而增加蝽類昆蟲物種豐富度。菜蝽、珀蝽、赤條蝽、稻棘緣蝽、廣腹同緣蝽、曲脛侎緣蝽、中稻緣蝽、橫帶紅長蝽、稻綠蝽、環(huán)斑猛獵蝽和稻棘緣蝽主要寄生于植物中下層,例如水稻、小麥、花生、玉米、白菜、大豆和蘿卜等?；顒?dòng)于植物中下層的這些蝽類昆蟲翅表呈現(xiàn)親水性及弱疏水性,接觸角為40.66°～94.72°,翅表具有大小不一隆起和分泌物結(jié)構(gòu),但這些結(jié)構(gòu)的低密度性使其呈現(xiàn)親水性及弱疏水性。雨天時(shí)翅表常被雨水打濕,但仍可以掉落于雜灌木等植物下層,可在草叢爬行活動(dòng)。負(fù)子蝽常懸浮池塘或湖泊靜水中,接觸角為90.55°,電鏡下呈現(xiàn)相對(duì)光滑的表面,它們翅表光滑的表面可以歸因于它們生活在水生環(huán)境中。

研究指出,形貌結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和生境是決定材料表面呈現(xiàn)疏水特性的關(guān)鍵因素(Blossey, 2003),小斑紅蝽翅表因表面覆蓋的蠟質(zhì)層使液滴與其表面接觸由原來的幾丁質(zhì)(θe=95°)變?yōu)橄炠|(zhì)晶體(θe=105°),疏水性提高10.53%。且其寄生于毛竹、油桐和柑桔等植物中上層。此外,表面微形貌結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的粗糙度能夠增強(qiáng)材料的疏水性(Neelesh, 2004; Kochetal., 2009; Kochetal., 2013),乳突結(jié)構(gòu)的存在,形成了液滴與翅膀表面的復(fù)合式接觸(接觸角為138.37°),滿足Cassie模型。且棲息于植物中上層的蝽類昆蟲疏水性較強(qiáng)。因此蝽類昆蟲翅表面的高疏水性是微米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)與蠟質(zhì)晶體及生境協(xié)同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論與討論

本文以20種蝽類昆蟲為研究對(duì)象,通過研究其前翅的革質(zhì)、膜質(zhì)區(qū)域浸潤性、微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分,分析了部分疏水性強(qiáng)的蝽類昆蟲疏水機(jī)理,結(jié)果顯示:(1)蝽類昆蟲翅表浸潤性存在明顯差異,接觸角為40.66°～138.37°。(2)6種蝽類昆蟲翅表革質(zhì)區(qū)比膜質(zhì)區(qū)的疏水性強(qiáng),具有乳突、不規(guī)則凸起和皺紋等粗糙結(jié)構(gòu)。特別是柱狀乳突結(jié)構(gòu)(直徑0.702±0.170 μm,高度1.516±0.293 μm,間距1.191±0.132 μm)有效地使革質(zhì)區(qū)表面更疏水。相反,4種蝽類昆蟲翅表的膜質(zhì)區(qū)比革質(zhì)區(qū)更疏水,橢圓形突起和分泌物密度更高。而在10種蝽類昆蟲中,疏水性沒有顯著差異,并且革質(zhì)和膜質(zhì)區(qū)的翅面結(jié)構(gòu)相似,僅具有不規(guī)則的圖案和分泌物。(3)蝽類昆蟲翅表分布著長鏈烴類、脂肪酸酯和脂肪酸醇構(gòu)成的蠟質(zhì)層。(4)理論分析結(jié)果顯示,部分疏水性強(qiáng)的蝽類昆蟲例如小斑紅蝽翅表因具乳突結(jié)構(gòu)而能夠截留空氣,使水滴較易產(chǎn)生Cassie-Baxter接觸狀態(tài),從而呈現(xiàn)相對(duì)最大的接觸角。且棲息于植物中上層的蝽類昆蟲疏水性較強(qiáng)。蝽類昆蟲不同硬度的翅表的浸潤性歸因于微米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)和表面蠟質(zhì)層的聯(lián)合效應(yīng)及生境的協(xié)同作用。這一機(jī)理為不同機(jī)械性能材料浸潤性研究提供參考。

致謝：感謝南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院穆怡然老師、天津工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心武春瑞老師、天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張驍博士在本研究中給予的支持與幫助。