水黽能在水面上支撐15倍于身體的重量
水黽腿的掃描電鏡SEM照片，(b)無(wú)數(shù)細(xì)長(zhǎng)微剛毛,，20μm,，(c)單根剛毛上的精細(xì)螺旋狀的納米凹槽結(jié)構(gòu),，200 nm
中科院化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江雷研究員課題組,，在分子科學(xué)中心創(chuàng)新項(xiàng)目支持下，在仿生研究領(lǐng)域取得了新進(jìn)展,。一種常見(jiàn)的生活在池塘,、河流和溪水表面的昆蟲水黽為何能夠毫不費(fèi)力地站在水面上,，并能快速地移動(dòng)和跳躍？他們最近的研究結(jié)果揭示了這一神奇的自然奧秘,，已于近日在國(guó)際權(quán)威期刊《自然》(Nature 2004,432,36)發(fā)表,，立即被Science, C&E News和National Geographic News等雜志轉(zhuǎn)載， Live Science及CBC Health & Science News等網(wǎng)站在線評(píng)論,。
仿生研究是國(guó)際上十分活躍的研究前沿。美國(guó)科學(xué)家通過(guò)對(duì)壁虎腳細(xì)微剛毛與物體的吸附研究,，已成功研制了適用于任何地形行走的微型機(jī)器人(Nature,2000,405,681),。水黽(Water Strider)屬于異翅目，是生活在水面上的一種昆蟲,。其中腳和后腳特別細(xì)長(zhǎng),，長(zhǎng)著許多直徑為納米量級(jí)的細(xì)毛，具有疏水性,，利用水的表面張力,，使它們能在水面上自由行走、快速滑移和跳躍,。目前,，國(guó)外對(duì)水黽的研究主要集中在生物進(jìn)化方面。而關(guān)于水黽腳部的納米剛毛與水的相互作用及相關(guān)性研究尚未見(jiàn)報(bào)道,。
化學(xué)所科研人員的研究表明,，水黽的這種優(yōu)異的水上特性，并不是像以前的學(xué)者認(rèn)為的依靠的是分泌的油脂所產(chǎn)生的表面張力效應(yīng),。而是利用其腿部特殊的微納米結(jié)構(gòu)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。空氣被有效地吸附在這些取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內(nèi),，在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜,，阻礙了水滴的浸潤(rùn)，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性,。對(duì)其腿的力學(xué)測(cè)量表明：僅僅一條腿在水面的最大支持力就達(dá)到了其身體總重量的15倍,。正是這種超強(qiáng)的負(fù)載能力使得水黽在水面上行動(dòng)自如，即使在狂風(fēng)暴雨和急速流動(dòng)的水流中也不會(huì)沉沒(méi),。
通過(guò)對(duì)水黽納米剛毛的疏水性能研究,，不僅可以探索到納米剛毛對(duì)水表面張力、流體阻力的影響規(guī)律及水黽之所以能在水面上自由行走的內(nèi)在原因,，還可望在不遠(yuǎn)的將來(lái)設(shè)計(jì)出新型微型水上交通工具(如無(wú)舷船舶甚至人類的水上行走),。
水黽被喻為是池塘中的溜冰者，因?yàn)樗粌H能在水面上行走,，而且還會(huì)像奧林匹克的溜冰運(yùn)動(dòng)員一樣在水面上優(yōu)雅地飛翔,，卻不會(huì)劃破水面浸濕腿,。國(guó)家納米科學(xué)中心首席科學(xué)家江雷研究員和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所博士生高雪峰的研究揭開(kāi)了水黽這種神奇功能的秘密，他們?cè)?1月4日最新出版的英國(guó)《自然》雜志上報(bào)告說(shuō),，水黽腿部擁有的微米尺度剛毛結(jié)構(gòu)讓其能夠在水面上如在地面上一樣行走,、奔跑、跳躍,。美國(guó)《科學(xué)》化學(xué)工程新聞雜志網(wǎng)站,、美國(guó)國(guó)家地理新聞網(wǎng)站和實(shí)況科學(xué)網(wǎng)站分別對(duì)這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道和評(píng)述。
水黽是一種在湖水,、池塘,、水田和濕地中常見(jiàn)的小型水生昆蟲，身體長(zhǎng)大約1厘米,，身體輕盈,，可在水面上劃行，它有6條細(xì)長(zhǎng)的腿,，其足上有纖毛,，4條長(zhǎng)腿用于在水面上劃行，另外兩條前腿則是用于捕捉獵物,。以前,，科學(xué)家們一直認(rèn)為，水黽這種優(yōu)異的水上特性是其腳部分泌的油脂與水的表面張力共同作用的結(jié)果,。
江雷領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在高倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn),，水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。人的頭發(fā)的直徑大約在80-100微米之間,，而這些像針一樣的微米鋼毛的直徑不足3微米,，表面上形成螺旋狀納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)槽，吸附在構(gòu)槽中的氣泡形成氣墊,，從而讓水黽能夠在水面上自由地穿梭飛行,，卻不會(huì)將腿弄濕。水黽的多毛腿一次能夠在上面上劃出4毫米長(zhǎng)的波紋,。研究人員將水黽毛腿的這種性質(zhì)稱為超疏水性(水的接觸角大于150°),。
為了證明油脂層和水面張力不是水黽在水面上行走的主要因素，江雷等人做了一個(gè)人工的水黽腿,，并在上面涂了一層蠟,。這條腿能夠讓水黽在水面上靜止一會(huì)，但卻不能經(jīng)得起水的波動(dòng),。
研究人員還發(fā)現(xiàn),，水黽的腿能排開(kāi)300倍于其身體體積的水量，這就是這種昆蟲非凡浮力的原因。江雷和同事說(shuō),，就是這種浮力讓水黽的一條長(zhǎng)腿就能在水面上支撐起15倍于身體的重量而不會(huì)沉沒(méi),。
這種超級(jí)浮性也有助于水黽以極快的速度在水面上滑行以捕捉獵物。這種昆蟲在水面上每秒鐘可滑行100倍于身體長(zhǎng)度的距離,，也就是說(shuō),，一位身高1.8米的人必須以每小時(shí)400英里的速度游泳才能追上它們。
研究人員在論文中寫道“這種聰明的結(jié)構(gòu)讓水黽即使是在暴風(fēng)雨的襲擊中也能在生存,，而且它們還會(huì)彈跳從而避免被淹沒(méi)到水中,。”
江雷說(shuō)水黽腿部鋼毛的疏水性類似于鴨子背部的毛，但是“普遍的疏水性(或抗水性)也許會(huì)讓昆蟲在水面上呆一會(huì),，輕微的觸動(dòng)或擾動(dòng)就會(huì)打破這種平衡,。然而，在水黽腿部和水面間形成的空氣墊卻讓它們?cè)谒嫔峡焖俣€(wěn)定地行走或奔跑,。”他說(shuō)，像鴨子一樣,，其它動(dòng)物也擁有這種疏水的特性,，但絕大多數(shù)都沒(méi)有超級(jí)疏水特性。
一年前,，美國(guó)麻省理工學(xué)院的數(shù)學(xué)家John Bush和同事就發(fā)現(xiàn)水黽的腿就像槳一樣在水中劃行,，從而讓它能夠快速地飛奔，該研究小組的成員David Hu說(shuō),，腿不被弄濕是關(guān)鍵,，這樣可避免水黽在劃行時(shí)浸入水中，如果它們不小心被水淹沒(méi),，它們必須用十倍于身體的力量才能浮出水面,。
江雷認(rèn)為新發(fā)現(xiàn)可用于新型防水紡織品的生產(chǎn)，但也許更重要的意義在于這一發(fā)現(xiàn)有助于設(shè)計(jì)出新型水上交通工具,，如無(wú)舷船舶,，甚至人類的水上行走都成為可能。
