昆虫保持疏水表面的独特秘诀，可启发设计新型涂料抗病毒

昆虫为了防止被雨滴击落到地面上，其体表需要保持疏水性能。近日发表在《科学·进展》上的一项研究，通过高分辨率电子显微镜观察蚊子眼睛、弹尾虫身体及蝉的翅膀，发现与荷叶等植物的疏水表面不同，这些昆虫表面上纳米级的绒毛更密集。当液体快速冲击昆虫表面时，密集的纳米级绒毛依然可以保持干燥。根据这一原理，可以设计出对高速运动液体有更好疏水性的涂料，从而提升飞行工具抵御雨水、口罩表面抵御飞沫的能力。

通过对昆虫表面的调查，宾夕法尼亚州立大学的研究人员详细描述了一种以前未被识别的纳米结构，可以用来设计更强、更有弹性的防水涂层。这种模仿蚊子复眼独特纳米结构的涂层，甚至还可以改善防病毒面具的性能。

这项研究的结果发表在7月17日的《科学进展》（Science Advances）杂志上。据悉，这种设计原理增强了对飞沫的排斥能力，可以应用于个人防护设备（PPE），以更好地抵御病毒颗粒，如新型冠状病毒（COVID-19）等。

“在过去几十年里，传统设计的防水表面通常是基于植物，比如荷叶。”夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的博士生，该论文的主要作者Lin Wang说。经典的工程理论已经使用这种方法来制造超疏水的表面。传统上，它们是用低固体分数的纹理制造的，在一个低密度的微观的毛发状纳米结构之上保持一层极薄的空气，研究人员将其比作空气曲棍球台。

“其原因是，如果液滴或物体漂浮在空气上方，它就不会粘在空气表面。”Wormley早期工程学教授，机械和生物医学工程副教授tako-sing Wong说。由于它的有效性，人造涂层倾向于模仿这些纳米结构的低密度。

但是，本文详细介绍了一种完全不同的方法。在高分辨率电子显微镜下检查蚊子的眼睛，跳尾的身体或蝉的翅膀等表面时，Wang发现，这些表面上的纳米级毛发密度更高，在工程学中被称为高固体分质地。经过进一步的探索，这种与植物结构的重大偏离可能会带来额外的驱水效益。

“想像一下，如果您在表面上具有高密度的这些纳米结构。”Wang说，“有可能通过更高的冲击力来保持空气层的稳定性。”这也可能意味着堆积得更紧密的结构可能能够排斥以更高速度运动的液体，例如雨滴。

虽然这种设计理念对人类来说是全新的，但研究人员认为这种纳米结构增强了昆虫在自然环境中的适应能力。“对于这些昆虫的表面，排斥水滴是一个生死攸关的问题。雨滴的冲击力足以把它们冲到地面并杀死它们……所以，让它们保持干燥非常重要，而我们找到了方法。”Wang说

借助从自然界中获得的知识，研究人员希望将这种设计原理应用于下一代涂料。他们希望通过开发一种防水表面，可以承受更快移动、更高强度的冲击水滴，相关的应用潜力非常可观。

从小型飞行机器人车辆（例如亚马逊希望与之一起运送包裹的无人机）到商用客机，可以模仿这些昆虫表面的涂层可以提高效率和安全性。

然而，鉴于新冠病毒大流行，研究人员此后意识到这种知识可能会对人类健康产生额外影响。“我们希望，这种涂料开发后可以用于PPE。例如，如果有人在面罩周围打喷嚏，那是高速液滴。使用传统的涂层，这些颗粒可能会粘附在PPE的表面上。”Wong说，“但是，如果成功采用了本文中详述的设计原则，它将能够更好地排斥这些液滴，并有可能保持表面无菌。”

从这项工作中可以看出，Wong的自然启发工程实验室从生物现象中汲取了见识，使人类的创新更好，更有效。Wong说：“虽然在项目开始之初我们并没有想到该应用，但是新冠病毒让我们思考了如何利用这一设计原理使更多人受益。作为工程师，我们应该把这些发现用一种有意义的方式加以应用。”

这项工作的下一步将是开发一种大规模、具有成本效益的方法，该方法可以制造一种模仿这些特性的涂层。Wong说：“过去，我们没有有效的表面来排斥高速水滴。但是昆虫告诉了我们如何。本质上有很多这样的例子。我们只需要向他们学习。”

据悉，这项研究由美国国家科学基金会，PPG基金会，Wormley Family Early Career Professorship，科思创（Covestro）和宾夕法尼亚州材料研究所赞助的人道主义材料倡议奖资助。其他贡献者还包括机械工程系的本科毕业生Ruoxi Wang和博士研究生Jing Wang。（涂界）

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