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几种典型生物复眼防雾性能研究

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2017年第22期 第44卷总第360期 广 东 化 』= www.gdchem.coitl 39 几种典型生物复眼防雾性能研究 关会英,佟以丹,王晓玲 (吉林化工学院机电I: :院,吉林吉林1 32022) 【摘要]浸润性(又称润湿性,Wettability)是固体表面的重要特性之一,对生物体表润湿性能的研究是目前仿生学、化学、材料学等领域竟 相研究的一个热点。本文以在近水、多雾等潮湿环境中生活的昆虫腹色蜉、小绿叶蝉和黄蜻复眼为研究对象,重点研究 其在模拟雾化条件下 的防雾性能,利用扫描电子显微镜(sEM)及激光共聚焦显微镜对其复眼表面结构进行观察分析,借助UG6.0软件建立3D模型的基础上,利用润 湿理论分析了其疏水防雾机理。该研究旨在应用于新型防水、防雾材料表面的研发。 『关键词1复眼;防雾;仿生 f中图分类号ITB17 [文献标识码1A (文章编号j1007.1 865(2017)22—0039・03 The Study about Antifogging Properties of Several Typical Biological Compound Eyes Guan ttuiying,Tong Yidan,Wang Xiaoling (College ol、Mechanical and Electrical Engineering,Jilin Institute ofChemical Technology.J Abstract:Wenabi1it3r  is one of the important characteristics of solid SUFrace The study about wettabi1ilv of organisms is a llot topic ln bionics chemistry and Materials Science field In this paper.typical biologies compound eyes including  ̄hemera pictiventt‘is McLachlan,Empoasca f] l、escens and Panlala flax。escens Fabricius in”ater.ibgg)ell\ironnlent“ ere selected as research objects The antifogging properties of the compound Eyes surface H ere studied under simulated atomization conditions.and then the compound eyes structure was chat’acterized via Scanning electron microscope(SEM)and Laser scanning confocal microscope Based on establishing the bionic model by UG6 0 software,hydrophobic antilbgging mechanism was explained by using the wetting theory The purpose of this research is IO provide aew ideas foI。the development ofnew waterpl。oofand antifogging material surface Key ̄ords:conlpnund eyes:antifogging:bionic 泌洲性(义称州 I!t-,Wettability)是崮体表面的 要特性之 生物体农的 彩 能 j枝润性有关,如防水、自沽、汲水、 防粘、防噶等等 此对,{i物体表润湿性能的研究是曰fj1『=仿生学、 化学、材利学等 j=Illc览栩研宄的一个热点。[I-61 眼睛足最 喽的‘种动物感觉器官,动物70%以 的信息是 通过眼睛摄入的。FI}皂虫通过单眼与复眼对外界光的变化做出反 应.完成觅食、求偶、定 、休眠、滞育等活动。对r生活在湿 度较大的水边昆虫米蜕,砭眼表面经常聚集夫量的水汽很明显对 其自由活动产生 利影响,动物为了生存,时刻应保持高度警惕, 因此需要清晰的 觉. 眼 面没有眼呤,仅仪靠自然蒸发消除 水汽需要‘定的州川 此.其表面最有可能进化m主动的防 防水功能 小迁以 近水、衫寡等潮湿环境中生活的昆虫腹色蜉、小绿 叶蝉和楚蜻 为研究对象,重点研宄,其在特定条件卜的防雾 性能,许对 复眼 结构进行观察分折,在建 3D模型的琏 础上,利川}I)ij 7f171:!I!i ̄"分折J 其疏水防雾机理。该研究旨_任廊H{ 新型防水、防礴材料& 的研发。 ,图1(a)和(b)为加雾前 愎色蜉(Ephemera pictivenO。is McLachlan)复眼表面照片,从 (b)【f】可叫 看出,其’大部触『f]部 分分散有直径住l 0(】um左 雾滴,『 复眼 分则无水球聚集,从 反光强弱看,也没有叫显变化,说明霭滴没有 复眼表面铺胜, 现出优良的防雾性能。 l(c) (d)为小绿叶蝉(Empoasca lfavescens)复眼表面防雾性能测试绝粜,结 显示加鸯2 arin后, 其体衷备部分被不同程发打 ,彳丁日J]湿的 露现象,复眼部分 少量直径在l00 um左 的水滴,稳定吸附于复眼表面。罔l(e) fii(f)为黄蜻(Pantala lfavescens Fabricius) l{ 表面防雾性能;1』!lJ试结 黄蜻复眼 加雾后表而} 布J 人 径在50 ttm左f 的水 球,也存 日』J显的结雾 象。 ,1材料和方法 1.1材料 b弋验川暇 蜉I&,2t 小= 自四JI1省美姑县美姑河,小绿iif蝉 千¨黄蝻采集地足 林f 侩佗}ti畔。样本鉴定工作主要由南京农、l 人学辅I1)J完成。 本傈仃j 75%(v/v)洒精溶液I}l。 I 模拟喷雾洲 将仟奉【州定 体 傲镜(LYNX stereo microscope1样品 L,化审温卜川趟_Il}q峻加 器(YaDu YC—E33l型)直接模拟水汽的 产生(模拟水滴卣{夺≤10 ̄.1111) 通过聚四氯乙烯(PTFE) 料管吹向 样水复眼.样本离管¨ 离为10 cm左右,管r=I处速瞍火约为0.I nl/s, 时 2 nlin^ 删试过程通过电脯实时监控和 求. 1.3结掬观祭卜j分 样本表 绵构利川{j椭电子显做镜(日奉JEPL 户:, JSM一6700LF),吏激比』L埭纯 微镜(LEXT,OLS3000)观察。复胀 样本 捕电镜观察 允利川70%的酒精洗去样品表面外物,戊一 酲固定24 h,梭符梯瞍脱水,喷金处t ̄(SBC—l2型离子溅射仪), 上镜观察。对于激光 聚 姓徽镜来说,为了避免复眼表嘶 光 源照射 燥,叟形,所以观察时间应 可能缩 。 定侧为加雾前, 9为JJ¨雾2分钟』 :(a)和(b)为腹色蜉(F4#wme ̄ “ 1)ictiventri McLachlan1X30:(c1和(d)J,J小绿IIl蝉(Empoasca flavescens)X1 5 (e) ̄l(l为黄蜻(fPantala flavescens Fabricius)X15 2结果和讨论 2.1典 昆虫奠眼衷洲访嚼 ¨ 能测试结果与分析 f收稿lI期】201 7-09一I1 【基金项日] i}f林 敦商 “f 五”科学技术项目(JJKH20170223) [作肯简介】荧会焚【198(1—1, .古林人,副教授,丰要研究方向为I: 仿q’ 图1 典型昆虫复眼表面防雾性能测试结果 Fig.1 Optical microscope images of antifogging properties of typical insect conlpound eyes 广东化工 2017年第22期 第44卷总第360期 WWW.gdchem.eom 2.2典型生物复眼表面激光共聚焦显微镜分析 腹色蜉复眼表面: 图2(a)和(b)是腹色蜉复眼激光共聚焦显微镜照片,从图中可 以看出,小眼顶部和基部直径不等。小眼可以看做由上F两部分 组成,上部为近似球面形,下部为圆台形,近似六方形紧密排列, 小眼总体高度约为l1 pm,基部直径在22/am左右,上部球面直 径在20 m左右。图2(c)和(d)是小绿叶蝉复眼激光共聚焦显微镜 照片,从图中可以看出,小眼形状基本成球冠形,基部直径也在 20 p.m左右,但高度不到2 pm,近似六方形紧密排列。图2(e)和 (D是黄蜻复眼激光共聚焦显微镜照片,小眼形状近似呈球冠形, 基部直径在70 m左右,高度不到5/am,小眼之间完全紧密接触, 呈蜂巢状排列。 2-3腹色蜉复眼表面、小绿叶蝉复眼表面SEM分析 图3(a).(c)为腹色蜉复眼SEM照片,观察发现,其复眼小眼 大小趋于一致,排列紧密,如图(a);结合激光共聚焦显微镜照片 (图2(a)和(b))可知,小眼分为上下两部分,上部为近似球面形, 下部近似圆台形,小眼基部直径约22 p.m,上部球面相切处直径 约为20/am,小眼总体高度在Il I.tm左右:进一‘步放大结果显示, 其小眼表面较为平整光滑并无更微小的纳米级结构,如图(c),可 见腹色蜉复眼表l向微米级结构是其产生防雾效果的终极结构。 小绿叶蝉复眼表面SEM结果如图4所示,其复眼表面呈弧面形, 小眼密布于复眼表面,见图(a):小眼形状类似球面形,大小趋于 致,基部直径在20 lam左右,呈六方紧密排列,如图(b)所示: 将图(b)中小眼表面局部放大得到(c)图,从图中自J‘以看出其表 除 部分杂质外,无更微细的纳米结构。 一恻l翎片为3D形貌打侧为2D彤貌,插图为截fIj_i轮廓;(a)和(b)为腹色 蜉;(c)和(d)为小绿n}|蝉;(e)币Il【f)为黄蜻 ,图2典型生物复眼表面激光共聚焦显微镜照片 Fig.2 Laser scanning confocal microscope images of typical insect compound eyes (a)小眼大小趋于一致.排列紧密:(b)单个小眼可视表面类似球面形,直径为20 pm左右;(c)小眼表面较为平整光滑并无更微小的纳米级结构。 图3腹色蜉复眼表面SEM照片 Fig_3 SEM images ofEphemera picti*’entris McLachlan compound eyes (a)复眼表面呈弧面形,小眼密布于复眼表面:(b)小眼形状类似球面形,大小趋1。’致.基部直径在20 pm左右,呈六方紧密排列:(c)单个小眼表面除部 分杂质外,无更微细的纳米结构 图4小绿叶蝉复眼表面SEM照片 Fig.4 SEM images of Empoasca flavescens compound eyes 2.4典型生物复眼疏水防雾机理分析 2.4.I腹色蜉复眼防雾机理分析 为了,进行机理分析,接下来利用uG6.0⑧软件进行了3D儿何 建模,简化的原则是默认腹色蜉小眼形状、尺寸一致,小眼由 下两部分组成,上部为球面形,下部为圆台形,相切处商径、劂 台底部直径和高分别为20 p.m、22/am和8/am,小眼之问呈六方 形紧密排列,建模结果如图5(a)一(c)所示。根据立体模型获得的几 何模型平面图如图5(d)和(e)所示,2 l表示小眼上部相切处直径, 2表示小眼下部圆台底面半径。由于 2为ll岬左右,小眼之问 排列紧密,以基部相切的三个小眼为一个分析单元,其内公切圆 直径是3.5/am左右,如图5(d)所示,水滴滴落存其表面后不会接 触基底表面,另外由于小眼顶部接近半球形,在三相线上总可以 找到一个合适的位置使系统处于平衡状态,因此大量的空气被俘 获在小水滴和复眼角膜底部表面之问(图5(e))其接触状态近似于安 Cassie状态考虑,根据Cassie模型衣观接触角计算公式. cos0(: cosO-f., (1) 式中, 为液一固实际接触面积与表观面积之比, 为液一气实 际接触面积与表观面积之比。可以得到液.固实际接触面积 、液 气实际接触面积 分别为: 一= 1+co (21 :ORIz .2(3) 所以, Sj (J+COS口).RI‘ Jt 酲 S . 畦 sin O.R (4) 赢 一 了 整理后得, (5) 2017年第22期 广东化工 第44卷总第360期 www.gdchem。corn cos … ~ ㈣ 复眼角膜的主要成分是几丁质,其本征接触角在95。左右【 I, 0这里取为95。,根据SEM及激光共聚焦提供的参数数据可知, 尺I, 分别为l0岬和l1 p.m,代入公式(4.15)可得,0f为l12.1。。 因此,雾滴与腹色蜉复眼表面撞击后容易发生反弹现象,同时复 眼的曲面外形,雾滴聚集成大水滴也容易从复眼表面滚落,所以 最终表现为雾滴不会在复眼表面聚集。 2.4.2小绿叶蝉及黄蜻复眼疏水机理分析 小绿叶蝉小眼为浅球冠形,球冠直径和高分别为20 1am和2 a/m,建模结果如图6(a)和(b)所示 可以看做是球冠形,很明显在 小眼表面找不到可以使之处于平衡状态的位置点,球形雾滴铺展 后将填满小眼间隙,处于Wenzel接触状态,如图6(c)所示。根据 Wenzel方程,可得: cos0 =rcos0 : (7) (8) ±  ̄ti: t3R' (a)复眼表面3D模型;(b)小眼六方排布3D模型:(c)单个小眼3D模型; (d)复眼表面基底组合单元及A.A方向示意:(e)水滴在小眼表面A.A方向 截面图 式中,R=26 gm,H=2 gm,RI=10 pm,代入可得 =95.18。。 图5腹色蜉复眼几何模型 Fig.5 The geometric model ofEphemera pictiventris McLachlan compound eyes (b)  l・ L— l (a)复眼表面3D模型;(b)小眼六方排布3D模型:(c)小眼截面润湿模型 图6小绿叶蝉复眼几何模型及润湿模型 Fig.6 The geometric model and wetting model of Empoasca lavescens compound eyes f黄蜻小眼顶部为圆弧面,侧面为六棱面,对边距离为70 gm, 深度5 gm,小眼之间没有缝隙,建模结果如图7(a)和(b)所示。雾 滴与复眼表面的接触状态属于Wenzel状态,如图7(c)所示。r可 以近似按下式计算. ,,+—,= 43R,-'- ̄,'-/2 堡 ! 43R 0 =95.I 1。。 (9) 式中,R=125 gm,H=5 pm,RI=35 lam,a- ̄16.26。,从而可得 (a) (b) rc (a)复眼表面3D模型:(b)小眼六方排布3D模型:(c)小眼截面润湿模型 图7黄蜻复眼几何模型及润湿模型 Fig.7 The geometric model and wetting model of Pantala flavescens Fabricius compound eyes 由此可见,对于d,Ht{截面形状为浅球冠形的复眼表面来说, 雾滴与复眼之间的接触方式符合Wenzel模型,且微观结构对复眼 表面润湿性能的改变较小。 【2]Shi ̄clife N J,Roach P.Superhydrophilic surfaces for antifogging and antifouling microfluidic deviceslJ1.Methods Mo1 Biol,201 3,949:269.28 1. 3结论 (1)腹色蜉复眼表面具有良好的疏水防雾性能,而小绿叶蝉和 黄蜻表面则未表现出明显的防雾性能; (2)SEM及激光共聚焦结果显示,三种复眼小眼皆为微米尺 度、呈六方排列的紧凑结构,其小眼表面不存在纳米结构,腹色 蜉复眼小眼相对于其它两种复眼小眼具有较大深宽比; (31腹色蜉复眼表面满足Cassie模型,有较强的疏水增强效应, 可提高接触角接近20。,而其它两种复眼表面润湿状态处于 Wenzel状态,故接触角变化不大。 [3]汤勇.周明,韩志武,万珍平.表面功能结构制造研究进展Ⅲ.机械工 程学报。2Ol0,23:93一lO5. 『4]Liu K S。Jiang L.Bio inspired design ofmultiscale structures for function integration[J1.Nann Today,01/20l1,6:l55.175. 『5]Liu K S,Jiang L.Multifunctional integration:from biological to bio—inspired materials[J1.ACS Nano,20l 1,5:6786.6790. 【6]Shirtclife N J,Roach P.Superhydroph-Ijc surfaces for antifogging and antifouling microfluidic devices[J1.Methods Mol Biol,20 1 3,949:269.28 1. [7】刘浩.基于微透镜阵列的仿生复眼结构研究【D].武汉:华中科技大学 硕士学位论文,2008. 『81Michael N,Bhushan B.Hierarchical roughness makes superhydrophobic states stablelJ1.Micmelectronic engineering,2007。84(3):382.386. 参考文献 【1】Liu K S・Jiang L.Bio—inspired design ofmultiscale structures for function integration[J】.Nano Today,201 1,6:155一I75. (本文文献格式:关会英,佟以丹,王晓玲.几种典型生物复眼防 雾性能研究[J].广东化工.2017,44(22):39—41) 

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