这个蝉翼上的结构，竟是抗菌神器
图片来源：查尔斯·弗洛伊德（Charles Floyd）
撰文 | 吉利恩·克莱默（Jillian Kramer）
翻译 | 董子晨曦
工程领域的很多灵感都来自于自然。比如，蝉翼就因独特的防水抑菌性长期吸引着研究人员的目光。如果这种特性能够在工业产品中大量应用，将大有裨益。先前的研究方式是完全移除蝉翼表面的化学物质，这不仅会损伤蝉翼表面，还无法完全解释蝉翼表面的化学物质如何与本身的的结构协同工作。新研究针对蝉翼上的涂覆物质进行分层研究，揭示了形态与化学结构间复杂的相互作用。
研究人员分析了两种不同的蝉，它们的蝉翼上都具有高度有序的微型锥形结构，这一结构又被称为纳米柱（nanopillar）。此前，有研究认为纳米柱结构能发挥特殊的作用，可以帮助蝉翼防水以及抑制细菌。
美国桑迪亚国家实验室分析化学家杰西卡·库斯塔斯（Jessica Kustas，这项研究的共同作者）介绍说，为了避免破坏蝉翼，研究团队尝试了微波辅助提取法，这种方法还没有在完整的昆虫翅翼上使用过。相关结果发表于《先进材料·界面》（Advanced Material Interfaces）杂志。这一方法需要对浸入氯仿和甲醇中的蝉翼进行加热和再冷却，同时分析随着这个过程一层层剥落下来的化学物质。“整个过程需要带着计时器和电脑在微波发生器前坐上好几天。”库斯塔斯说。
对于两种不同的蝉而言，研究人员都发现纳米柱的化学组成对维持蝉翼的结构完整非常重要。“去除了纳米柱外层的化学物质后，柱体就会缩短并向两端弯曲。”伊利诺伊大学香槟分校的生物学家玛丽安娜·阿莱恩（Marianne Alleyne，这项研究的共同作者）解释说。
对于一年生的蝉种（Neotibicen pruinosus），萎缩效应更加剧烈。蝉翼的疏水性首先下降（尽管随更多化学物质的剥落，疏水性有所回升）。抑菌性在刚开始剥落时上升，但是在更多化学物质剥落时明显下降。团队还发现，对于另一个蝉种（Magicicada cassinii）而言，蝉翼表面的化学物质本身就具有抑菌性。这种蝉的蛰伏期为17年，而它们蝉翼上的纳米柱更短——这意味着比起结构特性，它们更有可能依赖蝉翼的化学组分抑菌。
“显然，蝉翼上的每层结构具有不同功能，”美国西维吉尼亚大学的物理化学家特里·格利恩（Terry Gullion，并未参与这项研究）说，“能够针对特定的层位做进一步分析的能力十分重要，这将帮助我们更好地理解蝉翼基于不同化学组成的整体物理特性。”
理解化学物质对结构产生的影响能帮助科学家设计更好的产品。阿莱恩说：“有了结构和化学间相互关系的基础知识，我们在设计新材料时就能更有的放矢。基于我们从自然界观察到的现象，我们就能作出兼顾结构和化学性能的选择。”
