蝴蝶翅粗糙表面的各向異性及機理分析

孫 剛，邰志娟，房 巖，畢語涵

各向異性是圖案結構表面的基本特征之一，因其在固體潤濕性、疏水性、自清潔性理論研究和工程制備中的重要作用而廣受關注［1－2］。許多生物在長期演化和自然選擇過程中，形成了多種體表粗糙結構，以有效地適應生存環境。昆蟲是自然界中唯一能飛行的無脊椎動物，在地球上數量最大、種類最多、分布最廣。昆蟲為抵御塵埃、霧、雨、露等脅迫因子，形成了超疏水、自清潔、抗粘附等優異特性。蝴蝶作為昆蟲中的一大類群，其翅表面具有隱身性、極速導熱性、熒光性等，近年來成為仿生學研究的熱點［3－6］。但是目前關于蝴蝶翅表面各向異性及其機理的研究仍很有限。本文應用掃描電鏡和視頻光學接觸角測量儀，對我國東北地區常見的20種蛺蝶科蝴蝶翅表面的各向異性進行了定量研究，為制備納米疏水和自清潔材料提供試驗依據。

1 材料與方法

蝴蝶樣品于2012年7－8月采自長春市南湖公園、動植物公園和凈月潭國家森林公園，隸屬蛺蝶科(Nymphalidae)15屬20種。將展翅后的蝴蝶翅標本剪成5 mm×5 mm片段，用雙面膠粘在掃描電鏡樣品臺上，經過離子濺射噴金處理后，在掃描電鏡(S－570型，HITACHI公司，日本)下觀察拍照。使用視頻光學接觸角測量儀(OCA20型，Dataphysics公司，德國)，采用座滴法(sessile drop)測量蝴蝶翅表面中室處的接觸角。采用先滴后斜法測量翅表面的滾動角，包括正向滾動角(水滴從翅基部到翅游離端方向的滾動角)、逆向滾動角(水滴從翅游離端到翅基部方向的滾動角)、垂向滾動角(與翅主軸垂直方向的滾動角)。首先將斜板樣本臺調至水平位置，將水滴滴到蝴蝶翅表面，然后逐漸增加(每次1°)樣本臺的角度直至水滴滾落，記錄樣本臺的傾斜角度作為蝴蝶翅表面在該方向的滾動角。進樣器與樣本間的距離為3 cm，每個樣本測量5次，取平均值。水滴體積為7.0μl。整個試驗在室溫(22～25℃)下進行。

2 結果與分析

2.1 蝴蝶翅表面微觀結構的各向異性

圖1 蝴蝶(云粉蝶，Pontia daplidice)翅表面微觀結構的各向異性

在掃描電鏡下，蝴蝶翅表面呈現復雜的等級結構。微米級鱗片為一級結構，呈覆瓦狀排列，與翅表面之間有一定傾斜角度(圖1)。

微米級鱗片表面的亞微米級縱肋和橫橋為二級結構，縱肋沿著鱗片長軸方向排列，橫橋基本與縱肋垂直。亞微米級縱肋和橫橋上的納米級突起為三級結構，納米級突起具有方向性的規則分布。蝴蝶翅表面的各級微觀結構均具有顯著的各向異性，這是翅表面疏水性、潤濕性和自清潔性具有各向異性的結構基礎。

2.2 蝴蝶翅表面液滴滾動角的各向異性

蝴蝶翅表面不同方向的滾動角不同，正向滾動角為1～3°，逆向滾動角為5～16°，垂向滾動角為4～11°，正向滾動角＜垂向滾動角＜逆向滾動角，表明蝴蝶翅表面的液滴滾動行為及自清潔性具有各向異性(表1)。由于蝴蝶翅表面獨特的微觀結構，水滴從身體中心向末端滾動，比水滴從身體末端向中心滾動容易得多。這是因為，水滴的三相接觸線跨越鱗片表面有序排列的突起時需要的能量，小于在突起外的區域移動需要的能量。水滴在蝴蝶翅表面極不穩定，稍微抖動就快速滑落。對去除鱗片翅表面的滾動角進行測量發現，正向、逆向、垂向滾動角均大于65°(樣本臺的最大傾斜角度為65°)(圖2)，由此可見，鱗片對蝴蝶翅表面自清潔性起到至關重要的作用。自然界的蝴蝶借助上下扇動翅而快速去除翅表面污染物，從而減輕負重，提高飛行效率，增加生存機會，保證種族繁衍。蝴蝶翅表面可以作為納米自清潔表面的設計和制備模板。

3 結論

液滴在蝴蝶翅表面的滾動行為和自清潔性具有各向異性，正向滾動角＜垂向滾動角＜逆向滾動角，這是由具有各向異性的蝴蝶翅表面復合微觀結構(一級結構、二級結構、三級結構)決定的。鱗片對蝴蝶翅表面自清潔性起到至關重要的作用，去除鱗片翅表面的正向、逆向、垂向滾動角均大于65°。蝴蝶翅表面可作為納米自清潔表面的仿生制備模板。翅表面的各向異性是蝴蝶長期進化的結果，對于蝴蝶的生存和繁衍具有重要意義。

表1 蝴蝶翅表面的水滴滾動角

圖2 去除鱗片的蝴蝶(福蛺蝶，Fabriciana noibe)翅表面水滴滾動角(＞65°)

［1］Higgins A M，Jones R A L.Anisotropic spinodal dewetting as a route to self－assembly of patterned surfaces［J］.Nature，2000，404(6777)，476－478.

［2］Zheng Y M，Gao X F，Jiang L.Directional adhesion of superhydrophobic butterfly wings［J］.Soft Matter，2007，3(2):178－182.

［3］Vukusic P，Sambles JR，Lawrence C R.Colour mixing in wing scales of a butterfly［J］.Nature，2000，404(6777):457.

［4］Lawrence CR，Vukusic P，Sambles JR.Grazing－incidence iridescence from a butterfly wing［J］.Applied Optics，2002，41(3):437－441.

［5］Fang Y，Sun G，Wang T Q，et al.Hydrophobicity mechanism of non－smooth pattern on surface of butterfly wing［J］.Chinese Science Bulletin，2007，52(5):711－716.

［6］Fang Y，Sun G，Cong Q，et al.Effects of methanol on wettability of the non－smooth surface on butterfly wing［J］.Journal of Bionic Engineering，2008，5(2)，:127－133.