部分蝽類昆蟲翅表微納結構與浸潤性研究

朱 琳,孫明霞*,梁愛萍,2*

(1. 天津師范大學生命科學學院,天津市動物多樣性保護與利用重點實驗室,天津 300387; 2. 中國科學院動物學研究所,北京 100101)

自然界中種類繁多的生物經過億萬年的優勝劣汰、生存斗爭,為了適應不斷變化的環境,逐漸具有了與其生境高度適應的功能特性(任露泉和梁云虹,2010)。自然界中諸多動植物體表的多尺度形貌結構賦予其表面特殊的浸潤性,自然界中“荷葉效應”就是最典型的現象,德國植物學家Barthlott和Neinhuist(1997)發現荷葉表面具有獨特的微米級乳突結構,荷葉上的水珠可以自由滾動,帶走葉面上的污垢從而達到自我清潔的效果。在水稻葉表面也發現液滴單向運輸的現象,水稻葉片表面具有與荷葉類似的微納復合突起結構,這些突起結構排列不均勻是其表面水滴各向異性滾動的主要原因(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象外,昆蟲翅表的浸潤性也備受關注。昆蟲是唯一一種有翅會飛行的無脊椎動物,昆蟲翅膀經過數百萬年的進化,已經成為自然界中最復雜的三維周期性介質結構材料之一,具有熒光、超疏水、抗反射和快速導熱性等優良特性(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97種昆蟲翅膀的浸潤性進行了研究,浸潤性與“SM指數”(SM Index,翅膀表面積與身體質量的商)之間存在相關性。高“SM指數”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,并隨著水滴的滾動來去除翅表的污物。而低“SM指數”的具有“小型翅膀”的昆蟲,如膜翅目(韓宜偉,2017)和鞘翅目(Sunetal., 2012)則往往呈現出更多的親水特性。浸潤性表面在實際應用中,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,需要對其表面性能如浸潤性等進行精確的控制和工程設計(Wangetal., 2017; Chenetal., 2019; Patiletal., 2022)。具有微納復合尺度形貌的生物表面結構已經通過多種技術成功地應用于仿生功能性表面的制造當中(Lietal., 2021; Huetal., 2022; Quetal., 2023; Wangetal., 2023)。而這些文章大多是針對同質的翅膀(整個翅膀均為膜質或均為鞘翅)進行的研究,而對異質的翅膀(整個翅膀既有膜質又有革質)的浸潤性研究還尚未被報道。作為典型半翅目昆蟲之一的蝽類,其翅表浸潤性研究報道較少。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,端半部膜質,為半鞘翅。多為植食性,刺吸植物莖葉或果實的液汁,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,對其前翅的革質、膜質區浸潤性、微觀結構、化學成分進行研究,研究結果可為不同機械性能材料浸潤性研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

蝽類昆蟲(如圖1-A～F)標本于2021年7月采自重慶市(南川區)、貴州省(赤水市、習水縣)和山東省(煙臺市),隸屬9科17屬20種,共300頭成蟲標本。標本鑒定由昆蟲分類學家幫助完成,采用系統分類法進行分類鑒定。

圖1 蝽類成蟲

1.2 實驗儀器和方法

實驗前,用流動的去離子水把20種蝽類昆蟲前翅革質和膜質區(圖1-G)清洗干凈,用手術剪截取2 mm×2 mm尺寸的樣品。將樣品粘貼在載玻片上,應用KRUSS公司生產的DSA30S型全自動接觸角測量儀采用坐滴法測量接觸角,液滴大小為2 μL,溫度為25±1℃。平行樣本10個,計算其平均值及標準偏差。使用IBM SPSS Statistics 26軟件,對20種蝽類昆蟲翅表革質、膜質區接觸角進行獨立樣本T檢驗,并對兩組數據進行person相關性分析,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公司生產的Quanta 200型掃描電子顯微鏡下進行觀測。并使用Image J軟件測量微觀結構參數,重復10次,計算其平均值及標準偏差。

3種蝽類昆蟲翅表的化學物質成分應用Thermo Scientific公司生產的傅里葉紅外光譜儀(FT-IR is50)進行分析,使用Origin 2021軟件對紅外光譜做后續處理。

2 結果與分析

2.1 接觸角及數據分析

為了研究蝽類昆蟲翅表浸潤性,分別測量了20種蝽類翅表革質、膜質區的靜態接觸角,實驗發現,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、膜質區的靜態接觸角的大小將其分為3類(圖2)。其中紫藍曼蝽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,革質區接觸角分別為97.13°、102.56°、105.63°、111.52°和138.57°,膜質區為85.88°、97.57°、102.71°、95.63°、91.81°和126.82°,革質區比膜質區疏水性強。稻棘緣蝽Mictistenebrosa、泛刺同蝽Acanthosomanigrodorsum、曲脛侎緣蝽Cletuspunctiger和廣腹同緣蝽Homoeocerusdilatatus呈現親水性及弱疏水性,革質區接觸角分別為40.66°、62.57°、68.88°和93.71°,膜質區為79.93°、74.76°、78.59°和104.66°,膜質區比革質區疏水性強。赤條蝽Graphosomarubrolineata、稻綠蝽Nezaraviridula、環斑猛獵蝽Sphedanolestessinicus、菜蝽Eurydemadominulus、荔蝽Tessaratomapapillosa、橫帶紅長蝽Lygaeusequestris、珀蝽Plautiafimbricius、負子蝽Sphaerodemarustica、中稻緣蝽Leptocorisachinensis和斑須蝽Dolycorisbaccarum呈現親水性及弱疏水性,革質區接觸角分別為61.07°、64.68°、81.12°、81.91°、82.34°、83.80°、83.83°、91.16°、94.72°和100.95°,膜質區為61.32°、71.24°、77.24°、77.77°、80.65°、83.81°、81.45°、90.55°、93.00°和103.58°,革質區與膜質區疏水性趨近。

表1 20種蝽類昆蟲翅表革質、膜質區的靜態接觸角

圖2 三類翅表革質區和膜質區接觸角圖

采用SPSS軟件對蝽類昆蟲革質和膜質區接觸角進行獨立樣本T檢驗,結果顯示曲脛侎緣蝽、稻棘緣蝽、泛刺同蝽、紫藍曼蝽、麻皮蝽、金綠寬盾蝽和小斑紅蝽的革質和膜質區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和膜質區接觸角差異較顯著(P<0.01),茶翅蝽的革質和膜質區接觸角具有顯著性差異(P<0.05),而另外的10種蝽類昆蟲的革質和膜質區接觸角無顯著性差異(P≥0.05)。因此,根據靜態接觸角值和獨立樣本T檢驗結果分為革質區疏水性弱于、強于和趨于膜質區3類進行研究(圖3)。

圖3 20種蝽類昆蟲翅表革質與膜質區接觸角差異分析柱形圖

2.2 翅表微觀結構

經過掃描電子顯微鏡觀測,20種蝽類昆蟲翅表微觀表面結構具有多樣性。6種蝽類昆蟲翅表革質區比膜質區的疏水性強,電鏡觀測發現紫藍曼蝽和碩蝽革質區分布著長短不一的剛毛(圖4-A,C),但密度較為稀疏,呈現較弱疏水性,膜質區僅有少量凸起(圖4-B,D)。茶翅蝽革質區分布著不規則裂紋及少量分泌物,膜質區則布滿皺紋(圖4-E,F)。麻皮蝽革質區分布著大量無規則排列的凸起和分泌物,膜質區具有低密度的凸起(圖4-G,H)。金綠寬盾蝽革質區具有蜂窩狀六邊形乳突結構,里面布滿大小不一的圓柱形乳突,每個六邊形結構由約29～40個乳突組成(高度0.903±0.286 μm,直徑0.676±0.138 μm,間距0.995±0.141 μm)。膜質區則分布著大量不規則凸起,革質區的乳突結構使其疏水性明顯強于膜質區(圖4-I,J)。小斑紅蝽的翅翼表面結構為圓柱形乳突,頂端近似球形,結構基部明顯增大,革質區具有高約1.516±0.293 μm的乳突(直徑0.702±0.170 μm,間距1.191±0.132 μm),膜質區具有高約1.227±0.122 μm的乳突(直徑0.491±0.061 μm,間距0.655±0.158 μm),革質區比膜質區的乳突結構具有相對較大的高度、直徑和間距,使革質區翅表疏水性更強(圖4-K,L)。這些粗糙結構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區具有更高的疏水性。4種蝽類昆蟲翅表的膜質區比革質區更為疏水,翅表膜質區具有橢圓形突起和分泌物,且比革質區的相對密度更高。掃描電鏡圖像顯示廣腹同緣蝽和曲脛侎緣蝽的革質區和膜質區都分布著大小不一的橢圓形突起和分泌物,但革質區的突起密度較低,這些結構的低密度,將不足以抵抗水滴停留在結構之間的滲透,使水易于滑動到翅表上,疏水性較弱(圖5-A,B,E,F)。稻棘緣蝽膜質具有凹凸不平的褶皺,而革質區較為平坦光滑(圖5-C,D)。泛刺同蝽膜質區分布有不規則的橢圓形突起,疏水性較強,而革質區僅分布著不規則圖案,較為平坦(圖5-G,H)。

圖4 6種蝽類昆蟲翅表革質區和膜質區電鏡圖

圖5 4種蝽類昆蟲翅表革質區和膜質區電鏡圖

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

圖6 6種蝽類昆蟲翅表革質區和膜質區電鏡圖

2.3 化學成分分析

采用傅立葉紅外光譜儀對3種蝽類昆蟲(小斑紅蝽、荔蝽、曲脛侎緣蝽)前翅革質和膜質區表面成分進行了定性分析,這3種蝽類昆蟲翅表革質區疏水性分別強于(小斑紅蝽)、弱于(曲脛侎緣蝽)和趨于(荔蝽)膜質區(見表1),探究其表面化學成分對不同翅面疏水性的影響。分析結果顯示紅外光譜特征峰相近,整體結構相似。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構;1 621、1 540 cm-1處的吸收帶顯示翅表面含有苯環結構;1 240、1 160、1 060 cm-1處的吸收帶是由酸酐、酰氯、酯、醛、酮、羧酸、酰胺官能團的C-O基伸縮振動引起。蠟質層是長鏈烴類、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成的蠟質層。圖中紅色實、虛線分別表示小斑紅蝽革、膜質區;綠色實、虛線分別表示荔蝽革、膜質區;藍色實、虛線分別表示曲脛侎緣蝽革、膜質區。

圖7 小斑紅蝽、荔蝽和曲脛侎緣蝽翅表革質區和膜質區紅外光譜圖

2.4 疏水機理分析

接觸角(Contact angle)是指在固、液、氣三相交界處,自固-液界面經過液體內部到氣-液界面之間的夾角,即從液固氣三相態相交點作氣-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。當液滴在光滑固體表面達到平衡時,固-氣、固-液、液-氣界面張力與接觸角之間的關系方程,即Young’s方程(Young, 1805),它是研究所有浸潤現象的定量理論基礎,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,實驗發現該模型的最大接觸角只能達到120°左右,這與超疏水表面接觸角大于150°的事實不相符,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)

現實中大多數固體表面是非光滑的,布滿各種形狀的粗糙結構,例如蛾翅表的鱗片結構(張建軍,2008),蟬翅表面的乳突結構(Jessicaetal., 2020)。現階段除了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構的接觸狀態:Wenzel模型、Cassie-Baxter模型、Lotus模型、Wenzel與Cassie的過渡態模型以及Gecko模型(圖8)。

Wenzel(1936,1949)認為由于表面粗糙結構的存在,液體始終會將表面上的凹槽結構填滿,增加了固體表面真實的表面積,使得實際固液接觸面積大于表觀幾何接觸面積(圖8-b),導致疏水性的增強,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接觸角(本征接觸角),由固體表面的化學組成決定。γ定義為粗糙度因子,也就是實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物質組成的固體表面(即異質表面)。Cassie和Baxter提出粗糙的表面可以被視為不均勻的固體表面,當固體表面高度疏水時,假設液滴無法填滿非光滑表面的凹槽,表面的溝槽中會滯留一部分空氣,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與凹槽內的空氣接觸。液滴在這種微納米級粗糙結構表面上的接觸是一種固-氣-液復合接觸,即復合潤濕狀態。這種微納米級的表面可以吸附空氣,并在其表面形成一層空氣膜。空氣膜的存在使液滴不能填滿粗糙表面上的縫隙和凹槽,從而導致在水滴的下面截流有空氣,表觀上的固液接觸實際上由固-液、固-氣共同組成(圖8-c),并提出了一種液滴在固-液-氣復合界面計算接觸角的方程(Wangetal., 2009; Barthlottetal., 2017),見式(3)。

cosθ=φs(1+cosθe)-1

(3)

式中:φs代表固體在復合接觸面中所占面積的百分比值,0<φs<1。

江雷等人(2007)根據疏水表面不同的接觸角滯后,認為疏水表面狀態還包括Lotus狀態、Wenzel與Cassie的過渡態以及Gecko狀態等3種(圖8-d～f)。Lotus狀態指的是指具有大接觸角和極小滾動角的Cassie狀態的一種特例,這種具有類似荷葉表面結構的自清潔效應(圖8-d)。此外,還存在一種Wenzel與Cassie的過渡態,液滴在外力作用下會改變其浸潤狀態,變為如圖8-e所示的浸潤狀態,即產生一種叫做過渡態的浸潤狀態的轉換。當過渡態發生時,接觸角減小,表面對水滴的黏附力增加,水滴可以在表面以一定傾斜角度滑動,因此當前超疏水表面理論研究的重點是如何設計最優的表面結構,避免產生過渡態。Gecko狀態是指接觸角較高、粘附性較高的一種狀態(圖8-f)。

本研究的蝽類昆蟲中小斑紅蝽的疏水性較強,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 小斑紅蝽翅表革質部分柱狀乳突結構模型

小斑紅蝽翅表革質和膜質區接觸角分別為138.37°和126.82°,具有較高疏水性,革質區具有高約1.516±0.293 μm的乳突(直徑0.702±0.170 μm,間距1.191±0.132 μm),膜質區具有高約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晶體(Waxcrystals)構成,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,由翅表面柱狀乳突結構參數可知R和d值,計算出φs和γ,利用Wenzel模型(式(2))、Cassie模型(式(3))計算出翅表革質區理論接觸角分別為67.04°和142.94°,與實際所測相對誤差分別為51.55%和3.30%。翅表膜質區理論接觸角分別為93.44°和132.29°,與實際所測相對誤差分別為 26.32%和4.31%。因此認為小斑紅蝽翅表微觀結構浸潤模型滿足Cassie-Baxter模型,翅表面微米級柱狀突起的間隙被空氣占據,柱體與水滴之間穩定地吸附一層氣膜,水滴無法進入凹槽,不能與翅表面充分接觸(只與乳突頂端接觸)形成復合接觸,因此水滴接觸時可產生Cassie-Baxter狀態,進而產生相對最大的接觸角。

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)。活動于植物中上層的這些蝽類昆蟲翅表疏水性較強,接觸角為91.81°～138.67°,翅表具有乳突、不規則凸起和皺紋等粗糙結構從而導致了高接觸角。這些蝽類昆蟲翅表呈現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。活動于植物中下層的這些蝽類昆蟲翅表呈現親水性及弱疏水性,接觸角為40.66°～94.72°,翅表具有大小不一隆起和分泌物結構,但這些結構的低密度性使其呈現親水性及弱疏水性。雨天時翅表常被雨水打濕,但仍可以掉落于雜灌木等植物下層,可在草叢爬行活動。負子蝽常懸浮池塘或湖泊靜水中,接觸角為90.55°,電鏡下呈現相對光滑的表面,它們翅表光滑的表面可以歸因于它們生活在水生環境中。

研究指出,形貌結構、化學成分和生境是決定材料表面呈現疏水特性的關鍵因素(Blossey, 2003),小斑紅蝽翅表因表面覆蓋的蠟質層使液滴與其表面接觸由原來的幾丁質(θe=95°)變為蠟質晶體(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,表面微形貌結構及其產生的粗糙度能夠增強材料的疏水性(Neelesh, 2004; Kochetal., 2009; Kochetal., 2013),乳突結構的存在,形成了液滴與翅膀表面的復合式接觸(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。因此蝽類昆蟲翅表面的高疏水性是微米級粗糙結構與蠟質晶體及生境協同作用的結果。

3 結論與討論

本文以20種蝽類昆蟲為研究對象,通過研究其前翅的革質、膜質區域浸潤性、微觀結構和化學成分,分析了部分疏水性強的蝽類昆蟲疏水機理,結果顯示:(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區比膜質區的疏水性強,具有乳突、不規則凸起和皺紋等粗糙結構。特別是柱狀乳突結構(直徑0.702±0.170 μm,高度1.516±0.293 μm,間距1.191±0.132 μm)有效地使革質區表面更疏水。相反,4種蝽類昆蟲翅表的膜質區比革質區更疏水,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,并且革質和膜質區的翅面結構相似,僅具有不規則的圖案和分泌物。(3)蝽類昆蟲翅表分布著長鏈烴類、脂肪酸酯和脂肪酸醇構成的蠟質層。(4)理論分析結果顯示,部分疏水性強的蝽類昆蟲例如小斑紅蝽翅表因具乳突結構而能夠截留空氣,使水滴較易產生Cassie-Baxter接觸狀態,從而呈現相對最大的接觸角。且棲息于植物中上層的蝽類昆蟲疏水性較強。蝽類昆蟲不同硬度的翅表的浸潤性歸因于微米級微觀結構和表面蠟質層的聯合效應及生境的協同作用。這一機理為不同機械性能材料浸潤性研究提供參考。

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