水黾为什么能在水上走 水黾轻功奥秘破解 人类水上行走成为可能(组图)

2019-07-18 - 水黾

小型水生昆虫水黾被喻为“池塘中的溜冰者”, 因为它不仅能在水面上滑行,而且还会像溜冰运动员一样能在水面上优雅地跳跃和玩耍。它的高明之处是,既不会划破水面,也不会浸湿自己的腿。水黾是如何练就如此水上绝技?

水黾为什么能在水上走

对此,科学界一直有各种解释。一种解释是水表面的张力,还有的解释是它们的腿会分泌油脂。近日,中国科学院化学研究所研究员江雷和博士生高雪峰在11月4日出版的英国《自然》杂志上发表论文,揭开了水黾“水上轻功”的奥秘。该发现可望在不远的将来设计出新型微型水上交通工具,如无舷船舶。该发现还可用于新型防水纺织品的生产,甚至人类的水上行走都成为可能。

水黾为什么能在水上走

水黾(mian)是一种在湖水、池塘、水田和湿地中常见的小型水生昆虫,身长大约1厘米,可在水面划行。它有6条细长的腿,足上有纤毛。为什么水黾能在水上行走?一般教科书的解释是水表面的张力。

    教科书的解释是错误的

水黾为什么能在水上走

比如,一分钱的硬币重约一克,比重比水大,可是把它轻轻放在水面上,硬币却能漂浮,这是由于水表面张力的作用。水滴之所以能变成圆球形,也是由于表面张力作用的缘故。

水的表面有一层膜叫表面层。它处在气体与液体之间。液体表面层由于跟空气接触,与液体内部情况有所不同。表面层里分子的分布要比液体的稀疏些,也就是分子间的距离比液体内部的大一些。在液体内部,分子间的引力基本上等于斥力;在表面层中,由于分子间的距离比液体内部大,分子间的相互作用表现为引力。这种液体各部分间相互吸引的力,叫表面张力。在表面张力的作用下,液体表面有收缩到最小的趋势。

水黾腿的扫描电镜SEM照片(a)水黾腿的无数细长微刚毛(b)单根刚毛上的精细螺旋状的纳米凹槽结构

水滴的表面张力有多大呢?可以这样说,比水滴小的虫子,它是不能冲破表面张力而钻入水滴中去的。

水黾属于水生半翅目类昆虫,水黾的种类不同,大小也不一样,一只中等大小的水黾重约30毫克,比水轻,所以,它在水面上行走时,不会沉入水中。此外,水黾足的附节上,生长着一排排不沾水的毛,所以,与足接触的那部分水面会下凹,但它的足尖不会冲破表面张力。

水黾长有三对足,三对足的分工也很明确,前足用来捕食,中足用来划分和跳跃,后足用来在水面滑行,这样它就可以在水面上自由自在的行动了。但是,如果往水里加一点中性洗涤剂,就会削弱水的表面张力,这时,走在水面的水黾足上的毛被沾湿,足冲破了表面张力而穿入水中,水黾就会沉入水中,当水黾沉下去后,由于表面张力的作用,水黾就再也浮不上来了。

虫腿在刺穿水面前的最深水窝侧面图,接触角167.6±4.4°

一般教科书都这样解释这个问题。一年前,美国麻省理工学院的数学家约翰.布什和同事就发现水黾的腿就像桨一样在水中划行,从而让它能够快速地飞奔,该研究小组的成员戴维德.胡说,腿不被弄湿是关键,这样可避免水黾在划行时浸入水中,如果它们不小心被水淹没,它们必须用十倍于身体的力量才能浮出水面。

事实果真是这样吗?这种解释似乎看起来很有道理,但却无法解释水黾即使是在暴风雨的袭击中也能生存这样一个事实。而且水黾还会弹跳,弹跳时它们的腿脚为什么不会湿?为什么不会刺破水表面的张力?

    会不会是它们的腿分泌油脂?

我们都知道,油脂可以浮在水面上,如果水黾的腿脚能分泌油脂,再加上水表面的张力,水黾不就浮在了水面上了吗?

为了证明油脂层和水面张力不是水黾在水面上行走的主要因素,江雷等人做了一个人工的水黾腿,并在上面涂了一层蜡。这条腿能够让水黾在水面上静止一会儿,但却不能经得起水的波动。

研究人员发现,水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量,这就是这种昆虫非凡浮力的原因。江雷和同事说,水黾的一条长腿就能在水面上支撑起15倍于身体的重量而不会沉没。而油脂层和水表面的张力却没有如此大的浮力。

水黾以极快的速度在水面上滑行以捕捉猎物。它在水面上每秒钟可滑行100倍于身体长度的距离,这相当于一位身高1.8米的人以每小时400英里的速度游泳。

    水黾腿部特殊的微纳米结构才是真正原因

江雷领导的研究小组在高倍显微镜下发现,水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。

人的头发的直径大约在80-100微米之间,而这些像针一样的微米刚毛的直径不足3微米,表面上形成螺旋状纳米结构的构槽,吸附在构槽中的气泡形成气垫,从而让水黾能够在水面上自由地穿梭滑行,却不会将腿弄湿。水黾的多毛腿一次能够在上面划出4毫米长的波纹。研究人员将水黾毛腿的这种性质称为超疏水性。

水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构,将空气有效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内,在其表面形成一层稳定的气膜,阻碍了水滴的浸润,宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。正是这种超强的负载能力使得水黾在水面上行动自如,即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没。

江雷说,水黾腿部刚毛的疏水性类似于鸭子背部的毛,但是,普遍的疏水性(或抗水性)也许会让昆虫在水面上呆一会儿,轻微的触动或扰动就会打破这种平衡。

然而,在水黾腿部和水面间形成的空气垫却让它们在水面上快速而稳定地行走或奔跑。他说,像鸭子一样,其它动物也拥有这种疏水的特性,但绝大多数都没有超级疏水特性

    该研究成果将用于新型水上交通工具

研究者认为,通过对水黾纳米刚毛的疏水性能研究,不仅可以探索到纳米刚毛对水表面张力、流体阻力的影响规律及水黾之所以能在水面上自由行走的内在原因,还可望在不远的将来设计出新型微型水上交通工具,如无舷船舶。

除此而外,该发现可用于新型防水纺织品的生产,甚至人类的水上行走都成为可能。

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