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)無數(shù)細(xì)長微剛毛,，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)站在線評論,。
仿生研究是國際上十分活躍的研究前沿,。美國科學(xué)家通過對壁虎腳細(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,，長著許多直徑為納米量級的細(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,，國外對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)來實(shí)現(xiàn)的,?？諝獗挥行У匚皆谶@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,，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性。對其腿的力學(xué)測量表明：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。
通過對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)的將來設(shè)計(jì)出新型微型水上交通工具(如無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,。國家納米科學(xué)中心首席科學(xué)家江雷研究員和中國科學(xué)院化學(xué)研究所博士生高雪峰的研究揭開了水黽這種神奇功能的秘密，他們在11月4日最新出版的英國《自然》雜志上報(bào)告說,，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《科學(xué)》化學(xué)工程新聞雜志網(wǎng)站,、美國國家地理新聞網(wǎng)站和實(shí)況科學(xué)網(wǎng)站分別對這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道和評述。
水黽是一種在湖水,、池塘,、水田和濕地中常見的小型水生昆蟲，身體長大約1厘米,，身體輕盈,，可在水面上劃行，它有6條細(xì)長的腿,，其足上有纖毛,，4條長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,，就是這種浮力讓水黽的一條長腿就能在水面上支撐起15倍于身體的重量而不會(huì)沉沒,。
這種超級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倍于身體長度的距離,，也就是說,，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到水中,。”
江雷說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在水面上快速而穩(wěn)定地行走或奔跑,。”他說,，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)都沒有超級疏水特性,。
一年前，美國麻省理工學(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，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，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，如無舷船舶,，甚至人類的水上行走都成為可能,。
