为什么昆虫永远不会被雨砸死?千万别被孩子问住了!

夏天来了,夏天可以有甘甜的西瓜,有甜美的冰激凌,让人大快朵颐;随之而来的也还有各种小虫子,最令人讨厌的就是蚊子,招蚊子体质的人一定深有感触,走到哪可能被咬。

为什么昆虫永远不会被雨砸死?千万别被孩子问住了!

人类与蚊子的斗争可以说是由来已久,但是在这场战争中,人类始终没有取得完全的胜利。总是被它折磨的死去活来。大家有没有想过,蚊子没有家,为什么没有在雨天被大雨所“砸死”呢?在雨中一滴水滴的质量大约是蚊子体重的50倍,再加上雨滴落下的重力加速度,相当于汽车撞向人的冲击力,在大雨中,平均每秒有25滴水击中蚊子,但实际上,这些“精神小伙”,到了雨天不仅不躲,还在雨中愉快地玩(bei)耍(zhuang),根本不 care 冷冷的冰雨在脸上胡乱地拍~

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美国佐治亚理工学院的胡立德(David Hu)教授利用高速摄像机发现,蚊子是一位“太极高手”,当雨滴击中它的时候,它不仅不抵抗,反而顺势下落,并透过侧飞、翻跟斗等方式让雨滴从身侧滑落来化解冲击力,而后可以在百分之一秒内迅速恢复身体的平衡,以迎接下一次的嬉(peng)戏(zhuang)。针对这一问题,最近科学家们又有了新的发现。

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日前,美国宾夕法尼亚大学的研究者们,通过研究昆虫身体表面的微观结构,发现昆虫表面一种新型的微纳米结构,使其具有更好的防水性,水滴接触后更快的分离。相关工作以“Compact nanoscale textures reduce contact time of bouncing droplets”为题,发表于杂志《SCIENCE ADVANCES》。

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蚊子们抵御炸(yu)弹(di)的能力,除了依靠顺势而为的“太极之术”之外,另一项法宝就是他们可以“拒水滴于千里之外”的特殊“表皮”。水滴在接触昆虫的表面后,会在极短的时间内弹起与其分离。在传统的超疏水理论中,大都通过构筑粗糙的表面微观结构,使其具有极低的固相率(~0.01),通过在液滴与固体之间形成一层气膜,使其具有良好的疏水性能。但是研究者发现蚊子等昆虫表面,具有较高的固相率(~0.25-0.65),但是仍然展现出非常好的疏水性能,水在滴落后可以迅速的弹起。

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不同昆虫表面的微观结构

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水滴在不同纹理表面的弹跳时间

研究者利用电子显微镜观察不同昆虫的表面发现,其表面都布满了高密度的百纳米级别的微绒毛,这些绒毛的直径都分布在100 nm至300 nm之间,且具有特定的微观结构与排列顺序,就是这些微绒毛的存在,有效的提高了其表面的疏水性能。

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昆虫表面的微纳米结构,启发我们开发更加优异的防水涂层

研究者们又通过光刻技术,人工制备了这种表面分布,有特殊倒角结构的百纳米级别微柱阵列,在这种表面,水滴也同样的展现出极佳的弹跳性能,接触时间仅有0.15 s,比我们眨一次眼的速度还要快一倍。

相较于传统的超疏水表面,这种表面具有更高的固相率,可以使其在高冲击力的情况下保持稳定,有效的提高其稳定性。文章的作者Tak-Sing Wong说:“对于这些昆虫来说,保持他们身体表面对水滴的排斥力,是一件十分重要的事情,一旦表面浸润,雨滴的冲击力就足以将他们拍到地面上,并带来致命一击,因此,它们一定有自己的方法实现长时间的保持体表的疏水性能。”

在对于自然界的应对之道上,动物往往有着比我们更丰富的经验。研究和模拟这些动物应对大自然的特殊本领,为我们的科学家和工程师提供新的设计思路,可以解决很多难题——比如,如何更好地设计微型飞行器,让它们能够像蚊子一样,在雨中轻盈地翱翔。

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目前新冠肺炎仍然在全球肆虐,飞沫作为新冠病毒传播的重要途径之一,对于飞沫的防护是一件十分重要的事情。

这种表面结构的设计也可以有效的提高,对飞沫的抵御能力,如果将其修饰于个人防护装备的表面,可以有效提高对新冠病毒等,各种依赖飞沫作为载体的病毒的抵抗能力。

 

文章链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/29/eabb2307

https://doi.org/10.1073/pnas.1205446109

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