蝴蝶翅膀有超疏水表面,能減輕大雨帶來的潛在危險

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 16 日 16:56 | 分類 材料 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


我們都有碰過傾盆大雨的經驗,當被碩大雨滴砸中,你或許只覺得痛,但對蝴蝶一樣小巧的昆蟲來說,幾乎就像被保齡球砸中危險,為什麼昆蟲似乎都不會因被大雨擊中受傷?

為了深入了解不同動植物如何減輕大雨帶來的危險,康乃爾大學團隊運用高速攝影機,以每秒 5,000 至 2 萬幀的速度觀察水滴落在蝴蝶、飛蛾、蜻蜓、鵜鶘羽毛和連香樹(katsura)葉片的影響。

研究作者、生物環境工程師 Sunghwan Jung 指出,撞擊力並不是雨滴的唯一問題。雨水也可能嚴重破壞昆蟲的飛行能力,或剝奪鳥類的體溫,限制身體和每顆雨滴接觸的時間,對許多動物來說至關重要。

「對小動物而言,被雨滴打中大概是最危險的事。」

過去也有研究進行類似觀察,但當時實驗用的水滴落下速度遠低於實際雨滴(每秒可達 10 公尺),為了更了解實際情況,康乃爾團隊決定測試更符合實際水滴落在不同表面的撞擊動力學。

研究人員觀察到,當水滴與葉子、蝴蝶翅膀表面接觸時,會掉落到微小的顛簸或尖刺上,讓水滴內產生像衝擊波的波浪。隨著波浪相互干擾,水滴表面出現皺褶,使表面尖刺有機會戳穿水膜,將水滴破裂成更小的碎片。

(Source:Sunghwan Jung et al. CC BY-NC-ND 4.0

除此以外,昆蟲和植物表面的天然奈米級蠟層也有助排水,研究人員推算,在蠟層與碎裂雨滴的凹凸結構協助下,液體與表面間接觸時間減少近 70%,可說大幅減少了熱量和動量傳遞,對需要保持熱量的微小昆蟲來說是巨大的不同。

有趣的是,《美國國家科學院院刊》(PNAS)的研究也提到,自然界其他生物似乎老早就注意到這項功能並加以利用。後續的實驗,團隊發現真菌會利用這層植物防禦,讓孢子附著在零散的雨滴碎片來增強自身的擴散能力。

這是第一項了解高速雨滴如何在天然表面作用的研究。Jung 認為,在具微米級凹凸結構和奈米級的蠟層下,可說這些生物體天生就有超疏水(hydrophobic)表面。

就像受荷葉啟發的防水塗層,更進一步了解蝴蝶翅膀的微尖刺在打碎雨滴的作用,可幫助工程師開發更高級的防水材料。「超疏水表面有廣大需求市場,但要製造受啟發的實際工程產品,耐用性還是最大問題。」

(首圖來源:pixabay