潜水昆虫体表疏水性及粘附性机理的研究及其仿生学意义

In this project, the wettability, adhesion and microstructures of diving beetles' cuticle will be measured,observed and compared using optical contact angle system (OCAS) and high-sensitivity microelectromechanical balance system (HSMBS), environmental scanning electron microscope (ESEM), transmission eletron microscope (TEM), respectively. The chemical components and functional groups will be determined using gas chromatography- mass spectrometry (GC-MS)and infrared imaging microscope (IIM). The dynamic process of wetting and adhesion under hydrostatic and hydrodynamic conditions will be undertaken and analyzed in situ using atomic force microscopy (AFM) and high-speed camera (HSC). This project is, from the point of view of functional morphology, physical chemistry and evolutionary biology, to obtain the aims of coupling analysis of the effect of micro and nano structures and surface chemical components on wettability and adhesion, and illustrating the mechanism of wettability and adhesion. First of all, all the results can offer the reference value and practical significance for the preparation and application of biomimetic hydrophobic and anti-sticking materials underwater. Secondly, it can rich the basic theory of biomimetics for the development of green seslf-cleaning technology. Finally, it can also provide the basic materials for the study of evolutionary history and evolutionary relationships of the related taxa.

本项目拟利用光学视频接触角测量仪（OCAS）、高感应微机电平衡仪（HSMBS）、环境扫描电子显微镜（ESEM）、透射电子显微镜（TEM）对预筛选出的多种具有优异独特功能的潜水昆虫体表的浸润性、粘附性、超微形态结构等进行测量、观察和比较，利用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）和显微红外成像光谱仪（IIM）解析潜水昆虫体表的化学组成成分和起作用的官能团，利用原子力显微镜（AFM）及高速摄像机（HSC）对其在静态及动态水下的浸润和粘附的动态过程进行原位观察及解析。以期在微纳米尺度上进行耦合分析，从功能形态学、物理化学及进化生物学角度探讨各种形态的微纳米结构及化学成分对潜水昆虫体表浸润性及粘附性的影响，进而揭示其机理。本项目具有为水下疏水及防粘材料的仿生制备及应用提供重要的参考价值及现实意义；丰富仿生学基础理论，为发展仿生绿色自清洁技术提供理论依据；还可为研究相关类群的进化历史和演化关系提供依据。

昆虫体壁是自然界中最值得关注的复合材料之一。长期以来，科学家们对生物表面的疏水性及粘附性开展了大量的研究。就昆虫而言，各类群体表的疏水性和粘附性被相继报道。随着仿生学的发展，荷叶、蝴蝶翅表鳞片、水黾足、蝉翅及纳米比亚甲虫翅等一大批仿生高性能材料被开发和应用。但目前这方面的研究还存在着许多问题需要深入研究和探讨。.本项目拟就几个亟须解决的问题，开展了潜水昆虫体表超微结构及在静态及动态水下观察、浸润性及粘附性测定、化学成分及官能团分析、浸润性和粘附性与微观结构及化学成分耦合分析等研究工作，并取得了如下一些重要的研究结果：.1. 水生甲虫翅表疏水性的研究.通过对不同生境甲虫的研究发现，中华龙虱Cybister chinensis的翅表呈现出梯度疏水的特性，即从翅表基部到端部接触角逐渐增加，疏水性逐渐增强，水滴总是滑向接触角较低的翅基。中华龙虱总是将尾部伸出水面，头部朝下，与水面形成大约10°左右的倾斜角，漂浮在水面上完成呼吸，有时这种姿态可以保持长达2分钟。翅表结构复型和模拟实验的结果支持中华龙虱翅表梯度疏水的特性有利于节省更多的能量，有助于其呼吸行为的保持。而这种梯度疏水主要由翅表化学官能团的梯度分布导致的。.2. 不同甲虫翅表和腹面疏水性的比较 .通过对7种典型甲虫体表微观结构的观察和体表接触角的测量，结果显示“为了保护水体从体表的蒸发，昆虫翅表的疏水性应该强于腹部的疏水性，因其大部分暴露在空气中”这个假设不成立。.3. 陆生甲虫翅表疏水性、粘附力的测量.通过对欧洲屎壳郎Geotrupes stercorarius翅表微观结构的观察和接触角比较发现，经不同时间丙酮清洗的翅表结构发生了变化，而相应翅表的接触角无明显变化，经过不同时间丙酮清洗的翅表与沙子、沙子和水、沙子和硅油三种物质之间的粘附力测量得知甲虫翅表基团极性决定了粘附力的大小。.本项目（1）在微米、纳米尺度上进行耦合分析，从功能形态学、物理化学及进化生物学角度探讨各种形态的微米、纳米结构及体表化学成分对潜水昆虫体表浸润性及粘附性的影响；（2）揭示其浸润及粘附机理，建立生物模型，具有为水下疏水及防粘材料的仿生制备及应用提供参考的重要价值及现实意义；（3）根据其具有的微纳米结构，不断加深对昆虫体表的认识，为工程技术提供有启迪意义的生物学知识；（4）丰富仿生学的基础理论，为发展仿生绿色自清洁技术提供理论依据及积累有