《Nature》报道化学所揭示水黾在水上行走的奥秘

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《Nature》报道化学所揭示水黾在水上行走的奥秘

来源生物谷发布人 admin 发布日期 2004-11-15 00:00:00 阅读1188次

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http://www.bioon.com/biology/advance/Ecology/200411/83036.html

中科院化学所有机固体院重点实验室江雷研究员课题组，在分子科学中心创新项目支持下，在仿生研究领域取得了新进展。一种常见的生活在池塘、河流和溪水表面的昆虫水黾为何能够毫不费力地站在水面上，并能快速地移动和跳跃？他们最近的研究结果揭示了这一神奇的自然奥秘，已于近日在国际权威期刊《自然》(Nature 2004,432,36)发表，立即被Science, C&E News和National Geographic News等杂志转载， Live Science及CBC Health & Science News等网站在线评论。

仿生研究是国际上十分活跃的研究前沿。美国科学家通过对壁虎脚细微刚毛与物体的吸附研究，已成功研制了适用于任何地形行走的微型机器人(Nature,2000,405,681)。水黾(Water Strider)属于异翅目，是生活在水面上的一种昆虫。其中脚和后脚特别细长，长着许多直径为纳米量级的细毛，具有疏水性，利用水的表面张力，使它们能在水面上自由行走、快速滑移和跳跃。目前，国外对水黾的研究主要集中在生物进化方面。而关于水黾脚部的纳米刚毛与水的相互作用及相关性研究尚未见报道。

化学所科研人员的研究表明，水黾的这种优异的水上特性，并不是像以前的学者认为的依靠的是分泌的油脂所产生的表面张力效应。而是利用其腿部特殊的微纳米结构效应来实现的。空气被有效地吸附在这些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。对其腿的力学测量表明：仅仅一条腿在水面的最大支持力就达到了其身体总重量的15倍。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。

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(如无舷船舶甚至人类的水上行走)。

水黾被喻为是池塘中的溜冰者，因为它不仅能在水面上行走，而且还会像奥林匹克的溜冰运动员一样在水面上优雅地飞翔，却不会划破水面浸湿腿。国家纳米科学中心首席科学家江雷研究员和中国科学院化学研究所博士生高雪峰的研究揭开了水黾这种神奇功能的秘密，他们在11月4日最新出版的英国《自然》杂志上报告说，水黾腿部拥有的微米尺度刚毛结构让其能够在水面上如在地面上一样行走、奔跑、跳跃。美国《科学》化学工程新闻杂志网站、美国国家地理新闻网站和实况科学网站分别对这一发现进行了报道和评述。

水黾是一种在湖水、池塘、水田和湿地中常见的小型水生昆虫，身体长大约1厘米，身体轻盈，可在水面上划行，它有6条细长的腿，其足上有纤毛，4条长腿用于在水面上划行，另外两条前腿则是用于捕捉猎物。以前，科学家们一直认为，水黾这种优异的水上特性是其脚部分泌的油脂与水的表面张力共同作用的结果。

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钢毛的直径不足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飞行，却不会将腿弄湿。水黾的多毛腿一次能够在上面上划出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(水的接触角大于150°)。

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，但却不能经得起水的波动。

研究人员还发现，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，就是这种浮力让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。

这种超级浮性也有助于水黾以极快的速度在水面上滑行以捕捉猎物。这种昆虫在水面上每秒钟可滑行100倍于身体长度的距离，也就是说，一位身高1.8米的人必须以每小时400英里的速度游泳才能追上它们。

研究人员在论文中写道“这种聪明的结构让水黾即使是在暴风雨的袭击中也能在生存，而且它们还会弹跳从而避免被淹没到水中。”

江雷说水黾腿部钢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，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。

一年前，美国麻省理工学院的数学家John Bush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David Hu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。

江雷认为新发现可用于新型防水纺织品的生产，但也许更重要的意义在于这一发现有助于设计出新型水上交通工具，如无舷船舶，甚至人类的水上行走都成为可能。