科學(xué)研究:蟬翼也能抗菌
發(fā)布時間:2021-06-09
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科學(xué)研究:蟬翼也能抗菌


化學(xué)和結(jié)構(gòu)相結(jié)合,賦予蟬翼特殊性能。
工程領(lǐng)域的很多靈感都來自于自然。比如,蟬翼就因獨特的防水抑菌性長期吸引著研究人員的目光。如果這種特性能夠在工業(yè)產(chǎn)品中大量應(yīng)用,將大有裨益。先前的研究方式是完全移除蟬翼表面的化學(xué)物質(zhì),這不僅會損傷蟬翼表面,還無法完全解釋蟬翼表面的化學(xué)物質(zhì)如何與本身的的結(jié)構(gòu)協(xié)同工作。新研究針對蟬翼上的涂覆物質(zhì)進行分層研究,揭示了形態(tài)與化學(xué)結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的相互作用。
研究人員分析了兩種不同的蟬,它們的蟬翼上都具有高度有序的微型錐形結(jié)構(gòu),這一結(jié)構(gòu)又被稱為納米柱(nanopillar)。此前,有研究認(rèn)為納米柱結(jié)構(gòu)能發(fā)揮特殊的作用,可以幫助蟬翼防水以及抑制細(xì)菌。


圖片來源:Pixabay
美國桑迪亞國家實驗室分析化學(xué)家杰西卡·庫斯塔斯(Jessica Kustas,這項研究的共同作者)介紹說,為了避免破壞蟬翼,研究團隊嘗試了微波輔助提取法,這種方法還沒有在完整的昆蟲翅翼上使用過。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《先進材料·界面》(Advanced Material Interfaces)雜志。這一方法需要對浸入氯仿和甲醇中的蟬翼進行加熱和再冷卻,同時分析隨著這個過程一層層剝落下來的化學(xué)物質(zhì)?!罢麄€過程需要帶著計時器和電腦在微波發(fā)生器前坐上好幾天?!睅焖顾拐f。
對于兩種不同的蟬而言,研究人員都發(fā)現(xiàn)納米柱的化學(xué)組成對維持蟬翼的結(jié)構(gòu)完整非常重要?!叭コ思{米柱外層的化學(xué)物質(zhì)后,柱體就會縮短并向兩端彎曲?!币晾Z伊大學(xué)香檳分校的生物學(xué)家瑪麗安娜·阿萊恩(Marianne Alleyne,這項研究的共同作者)解釋說。
對于一年生的蟬種(Neotibicen pruinosus),萎縮效應(yīng)更加劇烈。蟬翼的疏水性首先下降(盡管隨更多化學(xué)物質(zhì)的剝落,疏水性有所回升)。抑菌性在剛開始剝落時上升,但是在更多化學(xué)物質(zhì)剝落時明顯下降。團隊還發(fā)現(xiàn),對于另一個蟬種(Magicicada cassinii)而言,蟬翼表面的化學(xué)物質(zhì)本身就具有抑菌性。這種蟬的蟄伏期為17年,而它們蟬翼上的納米柱更短——這意味著比起結(jié)構(gòu)特性,它們更有可能依賴蟬翼的化學(xué)組分抑菌。



圖片來源:Pixabay
“顯然,蟬翼上的每層結(jié)構(gòu)具有不同功能,”美國西維吉尼亞大學(xué)的物理化學(xué)家特里·格利恩(Terry Gullion,并未參與這項研究)說,“能夠針對特定的層位做進一步分析的能力十分重要,這將幫助我們更好地理解蟬翼基于不同化學(xué)組成的整體物理特性?!?/span>
理解化學(xué)物質(zhì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響能幫助科學(xué)家設(shè)計更好的產(chǎn)品。阿萊恩說:“有了結(jié)構(gòu)和化學(xué)間相互關(guān)系的基礎(chǔ)知識,我們在設(shè)計新材料時就能更有的放矢。基于我們從自然界觀察到的現(xiàn)象,我們就能作出兼顧結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能的選擇?!?/span>
撰文:吉利恩?克萊默(Jillian Kramer)
翻譯:董子晨曦
引進來源:環(huán)球科學(xué)



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