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科學研究：蟬翼也能抗菌
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科學研究：蟬翼也能抗菌
化學和結構相結合，賦予蟬翼特殊性能。
工程領域的很多靈感都來自於自然。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產品中大量應用，將大有裨益。先前的研究方式是完全移除蟬翼表麵的化學物質，這不僅會損傷蟬翼表麵，還無法完全解釋蟬翼表麵的化學物質如何與本身的的結構協同工作。新研究針對蟬翼上的塗覆物質進行分層研究，揭示了形態與化學結構間複雜的相互作用。
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構，這一結構又被稱為納米柱（nanopillar）。此前，有研究認為納米柱結構能發揮特殊的作用，可以幫助蟬翼防水以及抑製細菌。
圖片來源：Pixabay
美國桑迪亞國家實驗室分析化學家傑西卡·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，研究團隊嚐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。相關結果發表於《先進材料·界麵》（Advanced Material Interfaces）雜誌。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物質。“整個過程需要帶著計時器和電腦在微波發生器前坐上好幾天。”庫斯塔斯說。
對於兩種不同的蟬而言，研究人員都發現納米柱的化學組成對維持蟬翼的結構完整非常重要。“去除了納米柱外層的化學物質後，柱體就會縮短並向兩端彎曲。”伊利諾伊大學香檳分校的生物學家瑪麗安娜·阿萊恩（Marianne Alleyne，這項研究的共同作者）解釋說。
對於一年生的蟬種（Neotibicen pruinosus），萎縮效應更加劇烈。蟬翼的疏水性首先下降（盡管隨更多化學物質的剝落，疏水性有所回升）。抑菌性在剛開始剝落時上升，但是在更多化學物質剝落時明顯下降。團隊還發現，對於另一個蟬種（Magicicada cassinii）而言，蟬翼表麵的化學物質本身就具有抑菌性。這種蟬的蟄伏期為17年，而它們蟬翼上的納米柱更短——這意味著比起結構特性，它們更有可能依賴蟬翼的化學組分抑菌。
圖片來源：Pixabay
“顯然，蟬翼上的每層結構具有不同功能，”美國西維吉尼亞大學的物理化學家特裏·格利恩（Terry Gullion，並未參與這項研究）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於不同化學組成的整體物理特性。”
理解化學物質對結構產生的影響能幫助科學家設計更好的產品。阿萊恩說：“有了結構和化學間相互關係的基礎星空体育官网入口网站，我們在設計新材料時就能更有的放矢。基於我們從自然界觀察到的現象，我們就能作出兼顧結構和化學性能的選擇。”
撰文：吉利恩•克萊默（Jillian Kramer）
翻譯：董子晨曦
引進來源：環球科學
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工程領域的很多靈感都來自於自然。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產品中大量應用，將大有裨益。先前的研究方式是完全移除蟬翼表麵的化學物質，這不僅會損傷蟬翼表麵，還無法完全解釋蟬翼表麵的化學物質如何與本身的的結構協同工作。新研究針對蟬翼上的塗覆物質進行分層研究，揭示了形態與化學結構間複雜的相互作用。
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構，這一結構又被稱為納米柱（nanopillar）。此前，有研究認為納米柱結構能發揮特殊的作用，可以幫助蟬翼防水以及抑製細菌。
圖片來源：Pixabay
美國桑迪亞國家實驗室分析化學家傑西卡·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，研究團隊嚐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。相關結果發表於《先進材料·界麵》（Advanced Material Interfaces）雜誌。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物質。“整個過程需要帶著計時器和電腦在微波發生器前坐上好幾天。”庫斯塔斯說。
對於兩種不同的蟬而言，研究人員都發現納米柱的化學組成對維持蟬翼的結構完整非常重要。“去除了納米柱外層的化學物質後，柱體就會縮短並向兩端彎曲。”伊利諾伊大學香檳分校的生物學家瑪麗安娜·阿萊恩（Marianne Alleyne，這項研究的共同作者）解釋說。
對於一年生的蟬種（Neotibicen pruinosus），萎縮效應更加劇烈。蟬翼的疏水性首先下降（盡管隨更多化學物質的剝落，疏水性有所回升）。抑菌性在剛開始剝落時上升，但是在更多化學物質剝落時明顯下降。團隊還發現，對於另一個蟬種（Magicicada cassinii）而言，蟬翼表麵的化學物質本身就具有抑菌性。這種蟬的蟄伏期為17年，而它們蟬翼上的納米柱更短——這意味著比起結構特性，它們更有可能依賴蟬翼的化學組分抑菌。
圖片來源：Pixabay
“顯然，蟬翼上的每層結構具有不同功能，”美國西維吉尼亞大學的物理化學家特裏·格利恩（Terry Gullion，並未參與這項研究）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於不同化學組成的整體物理特性。”
理解化學物質對結構產生的影響能幫助科學家設計更好的產品。阿萊恩說：“有了結構和化學間相互關係的基礎星空体育官网入口网站，我們在設計新材料時就能更有的放矢。基於我們從自然界觀察到的現象，我們就能作出兼顧結構和化學性能的選擇。”
撰文：吉利恩•克萊默（Jillian Kramer）
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