一個(gè)研究昆蟲翅膀的物理和化學(xué)特性的多學(xué)科小組證明，能夠復(fù)制有助于蟬翅膀排斥水并防止細(xì)菌在表面形成的納米結(jié)構(gòu)。這種使用商業(yè)指甲油的新技術(shù)既經(jīng)濟(jì)又簡單，研究人員表示，這將有助于制造未來的高科技防水材料。

該團(tuán)隊(duì)使用制造工藝的簡化版本-稱為納米壓印光刻技術(shù)-在美國中部發(fā)現(xiàn)的一年生新蟬(Neotibicen pruinosus)的機(jī)翼上制作復(fù)雜的柱狀納米結(jié)構(gòu)的模板。研究人員說，這些模板是完全可溶解的，可產(chǎn)生平均柱高的94.4%和原始機(jī)翼或主結(jié)構(gòu)柱直徑的106%的副本。

這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在《納米快報(bào)》上。

“我們選擇與這種蟬的機(jī)翼一起工作，因?yàn)槲覀冞^去的工作證明了機(jī)翼上復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)如何提供出色的拒水能力。這是非?？扇〉奶匦?，可用于飛機(jī)的許多材料工程應(yīng)用中伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的昆蟲學(xué)教授Marianne Alleyne說道，他與美國陸軍工程兵建設(shè)工程研究實(shí)驗(yàn)室的Donald Cropek和Nenad Miljkovic共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究伊利諾伊州機(jī)械科學(xué)與工程教授。

研究人員說，納米壓印光刻技術(shù)不是新技術(shù)，但可能會(huì)耗費(fèi)大量人力且昂貴。有些方法使用有毒材料，這些材料會(huì)損壞原始復(fù)制的物體，例如精致的蟬翼。其他一些則需要與植物或昆蟲等生物樣品不兼容的高溫。

顯示了在蟬翼上發(fā)現(xiàn)的納米柱的納米壓印光刻工藝。圖片來源：美國化學(xué)學(xué)會(huì)。有關(guān)更多信息，請(qǐng)?jiān)L問pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01547。

Cropek說：“我們的過程使我們能夠在室溫和大氣壓下的開放實(shí)驗(yàn)室中做到這一點(diǎn)。” “我們使用指甲油和外用酒精，不會(huì)對(duì)精致的機(jī)翼納米結(jié)構(gòu)造成任何損害。”

在實(shí)驗(yàn)室中，研究小組將速干指甲油直接涂在蟬翼上，然后在室溫下固化。

Alleyne說：“要找到正確的指甲油配方并不容易，因?yàn)槲覀円苊庠谌コ讣子蜁r(shí)會(huì)翹曲或拉伸模板的指甲油。” 完成后，可以在模板上涂上聚合物或金屬，然后將其溶解掉，只剩下復(fù)制金屬或聚合物。

為了展示這種新方法的多功能性，該團(tuán)隊(duì)嘗試了兩種截然不同的復(fù)制材料：銅金屬和一種名為PDMS的柔性硅基有機(jī)聚合物。

“我們證明了該技術(shù)與金屬，氧化物或陶瓷的物理氣相沉積和電化學(xué)沉積以及化學(xué)氣相沉積和旋涂聚合物等較軟材料兼容，” Miljkovic說。

“銅對(duì)我們來說特別有趣，因?yàn)樗哂泄逃械目咕匦?，而我們過去的工作表明某些蟬類的翅膀具有抗菌特性，”阿萊恩說。“我們不知道是機(jī)翼表面的化學(xué)物質(zhì)或物理納米結(jié)構(gòu)，還是化學(xué)和形貌的結(jié)合產(chǎn)生殺菌活性，但是能夠生產(chǎn)具有不同化學(xué)物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的材料將有助于我們回答。這個(gè)基本問題。這種相對(duì)簡單的新制造方法最終將幫助我們?cè)O(shè)計(jì)多功能工程材料。”