Не змочувані крила і ноги журавлика за допомогою тонких структур кутикули Journal of

Резюме

Незволожуючі поверхні мають важливе значення для виживання наземних та напівводних комах, оскільки вони забезпечують стійкість до змочування дощем та іншими рідкими поверхнями, з якими можуть зіткнутися комахи. Таким чином, існує еволюційна виплата за використання цих комах гідрофобних технологій, особливо на контактуючих поверхнях, таких як ноги та крила. Журавлик - слабкий льотчик, багато видів якого зазвичай зустрічається у вологому/вологому середовищі, де вони відкладають яйця. Краплі води, розміщені на крилах цієї комахи, мимовільно скочуються з поверхні. Крім того, комаха може стояти на водоймищах, не проникаючи ніг на поверхню води. Ноги та крила цієї комахи мають тисячі крихітних волосків із хитромудрими рельєфами поверхні, що складаються з ряду хребтів, що проходять поздовжньо вздовж довгої осі волокна волосся. Тут ми демонструємо, що ця тонка структура волосся покращує здатність волосків протистояти проникненню у водойми.

ВСТУП

Змочуваність поверхонь є основною властивістю, яка викликала великий інтерес і була предметом багатьох досліджень (Adamson, 1990; de Gennes, 1985; Fowkes, 1964; Holloway, 1970). Однією з рушійних сил для більш детального розуміння явища була необхідність у розробці нових матеріалів зі специфічними та спеціальними властивостями поверхні. Наприклад, супергідрофільна поверхня з кутом контакту (CA) майже 0 град. Успішно використовується як прозоре покриття з властивостями проти запотівання та самоочищення (Wang et al., 1997). Крім того, було показано, що багато гідрофобні поверхні гальмують забруднення, прилипання до снігу, ерозію і навіть електропровідність (Lafuma and Quere, 2003; Sun et al., 2005).

Багато з цих тонких структур комах збільшують шорсткість поверхні кутикули. Існує ряд теорій, що виражають змочуваність поверхні на основі шорсткості поверхні, і всі вони мають певні припущення та обмеження. Кассі і Бакстер виражають змочувальний стан через ряд інтерфейсів: інтерфейс рідина-повітря з навколишнім середовищем, що оточує краплю, і поверхня під краплею, що включає інтерфейси тверде повітря, тверде тіло-рідина та рідина-повітря (Cassie and Бакстер, 1944). (1) де Rf - коефіцієнт шорсткості, що визначається площею твердої рідини до його проекції на плоску площину (коефіцієнт шорсткості змоченої ділянки), fSL - частка поверхні розділу тверде тіло - вода (частка площі проектованої вологої ділянки), а θ являє собою CA, яка відбуватиметься на гладкій поверхні ідентичної хімії і може бути виражена відношенням Юнга θ = cos – 1 [(γSV– γSL)/γLV], де γij-члени відповідають міжфазній енергії/напруженості твердої пари, твердої рідини та рідини-пари.

Одним з багатьох комах, які демонструють ієрархію шорсткості поверхні, є журавель - один з найпоширеніших видів усіх двокрилих. Оскільки журавлі є помітними любителями вологи, вони населяють різноманітні середовища існування, де доступна вода, і, як правило, вони знаходяться на листі, що нависає над джерелами води у вологих тінистих місцях. Личинки в основному виходять з води або напіврідких речовин (наприклад, грязі), щоб стати дорослими, і більшість видів перестають харчуватися після цієї стадії. Дорослі демонструють струнке тіло і надзвичайно довгі ноги з крилами 8–75 мм, що характеризуються двома анальними венами, що досягають краю. Дорослі люди повільно та нерегулярно літають поблизу вологої землі, регулярно стикаючись з субстратом.

Оскільки журавель має надзвичайно довгі ноги і часто зустрічається у вологому середовищі, комаха буде сприйнятлива до згубних контактів адгезії, а також до поломки в гіршому випадку. Комаха може потенційно стати жертвою постійної іммобілізації на воді або зволожених поверхнях зі зниженою здатністю уникати хижаків або боротися з ними. У цій роботі ми демонструємо, як тонка структура волосків журавлиних (Nephrotoma australasiae) на ногах підвищує їх здатність відштовхувати воду. Менші волоски, виявлені на крилах, мають подібну структуру, і ми показуємо, що ця архітектура також допомагає комахам в умовах дощу/крапель.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ

Фотографія

Для отримання 8-мегапіксельних фотографій з роздільною здатністю використовували Canon Digital 350D SLR і Canon Ultrasonic EF-S 60-мм макрооб'єктив. Обрізання, регулювання яскравості та контрасту та додавання смуги масштабу проводились за допомогою Photoshop 7.0.

Оптична мікроскопія

Використовували оптичний мікроскоп AIS VG8 (Australian Instrument Services, Кройдон, Вікторія, Австралія), прикріплений до кольорової камери відеоспостереження Panasonic WV-CP410/G, а також складний мікроскоп серії XSP (York Instruments, Сідней, Нью-Йорк, Австралія). Їх розміщували у вертикальному, горизонтальному або перевернутому положенні, щоб отримати види зверху, збоку та знизу відповідно. Використовували збільшення до × 40.

Скануюча електронна мікроскопія

Окремі волоски прикріплювали до зондів з атомно-силовим мікроскопом (AFM), а тканини крила/ніжки (крило приблизно 3 мм × 3 мм, ніжку приблизно 1 мм) утримували на алюмінієвій заглушці типу штир із просоченим вуглецем двостороннім клеєм. Зразки розпилювали 7-10 нм платини перед візуалізацією за допомогою скануючого електронного мікроскопа JEOL 6300 польового випромінювання при 8 кВ.

Атомно-силова мікроскопія

Вимірювання сили, включаючи механічні властивості волосся та дані про адгезію, були отримані за допомогою скануючого зондового мікроскопа Explorer TMX-2000 (SPM) TopoMetrix (Veeco Instruments, Plainview, NY, USA) зі сканером штатива 130 × 130 мкм 2, який має z-діапазон 9,7 мкм. Працюючи в умовах навколишнього повітря (температура 22–23 ° C та відносна вологість повітря 60–75%, відносна вологість) та використовуючи режим сили проти відстані (F – d), криві F – d, що складаються з 600 точок даних, отримували за швидкістю перекладу в діапазоні 2–5 мкм с –1 у напрямку z. Калібрування за напрямком z проводили згідно з попередніми дослідженнями (Watson et al., 2004b; Watson et al., 2002).

На 10 окремих волосках журавлика, що не мають покриття, було використано п’ять безпровідних важелів у формі балки (NT-MDT Ultrasharp, Москва, Росія) з константами жорсткості (кН), визначеними прийнятими методами (Cleveland et al., 1993). Отримано двадцять кривих F – d як для константи сили, так і для вимірювання адгезії; Потім волоски тонкими і товстими покривали полідиметилсилоксаном (PDMS; Sylgard-184, Dow Corning, Corning, NY, USA) і отримували нові значення після висихання кожного покриття (24 год). Жорсткість волосків отримували за допомогою методів, описаних раніше (Gibson et al., 1996). Дані про адгезію між волоссям, прикріпленим до важеля, і 10 мкл краплі води Milli-Q отримували з крапелькою, нанесеною на предметне скло, попередньо покрите PDMS, щоб забезпечити гідрофобну основу. Волосся контактували приблизно на 500 мкм під вершиною краплі (додатковий матеріал, рис. S1), щоб уникнути притягання меніска між гідрофільним важелем та водою Milli-Q.

Кріплення і покриття волосся

Мухи журавлів (N. australasiae, Skuse 1890) були виловлені в районах Брісбена і Таунсвіля в штаті Квінсленд, Австралія, в безпосередній близькості від водних шляхів. Найдовші волоски журавликів (див. Результати та обговорення) були зішкребні з ніг за допомогою хірургічного скальпеля та приклеєні до кінця важелів без склянок під оптичним мікроскопом. Важіль був прикріплений до власного перекладача позиціонування x-, y- та z-позиціонування. Це розташування дозволило прикріпити до важеля дрібні частинки/тіла розміром з мікрометр (Watson et al., 2004a). Вільний кінець важеля опускали на край краплі клею (швидкотвердіюча двокомпонентна епоксидна смола), а потім на кінець бажаної основи волосся з подальшим висушуванням протягом 24 годин. Вимірювання сили пружини константи волосся вимагало, щоб основа волосся залишалася фіксованою завдяки її кріпленню до невідповідних чіпам AFM.

(А) Журавлик у спокої (Nephrotoma australasiae) з великою площею контакту з підстилаючим листом в результаті їх надзвичайно довгих ніг. (B) Яйцекладний журавель внизу вгору-вниз польоту на вологому/брудному ґрунті, що показує ноги та кінчик живота в контакті з основним субстратом.

РЕЗУЛЬТАТИ І ОБГОВОРЕННЯ

Фотографія вивченого тут журавля (N. australasiae) показана на рис. 1. Журавлик у стані спокою демонструє велику площу контакту з підстилаючою основою, наприклад листя і вологий грунт через надзвичайно велику довжину ніг.

Деякі зразки, використані в цьому дослідженні, були зібрані по краях прісноводної річки. Спостереження за льотними звичками цих комах (загалом 12 комах) показало стрибкоподібний рух по субстрату (підстилка листя, волога мулистий грунт та водні поверхні). Цей стрибок мав майже вертикальний підйом на 3–8 см, а потім рух вниз, коли ноги комах контактували з землею та водними поверхнями. Тривалість циклу вгору-вниз була, як правило, близько 0,3 с (3,3 Гц). Спостережувана льотна поведінка демонструється яйцекладками журавлів, де кінчик живота часто стикається з субстратом (White, 1951) (рис. 1B). Сила удару ніг об землю виявилася відносно великою, і це привело нас до припущення, що довгі ноги використовуються як пружини для управління ударом об землю та/або, можливо, допомагають рухати комаху на вертикальній частині сходження циклу. Оскільки для руху літака необхідний контакт ноги з вологою землею, виглядає вигідним, щоб нога мала структурні візерунки, щоб допомогти у відштовхуванні води.

Взаємодія ноги та крила журавлика з водою різної довжини (краплі дощу, водойми, річки тощо) показано на рис. 2. Волосяні ворси за будь-яких обставин призвели до початкового контакту, при якому краплі досягали майже куляста форма. Крапля води демонструвала CA понад 170 град з крилом, як показано на рис. 2А. Очевидний СА крапельки води, підтримуваний насадкою шприца і розміщений на ніжці журавлика, також був надзвичайно високим (рис. 2Б). Мікрокраплі від розпилювача туману демонстрували подібні СА на крилах і поверхнях ніг. На рис. 2C – E показано крапельки, затримані волосками на вені крила, мембрані крила та ніжці відповідно. Зображення демонструють очевидну надгідрофобну природу кутикули, в результаті чого краплі води мимовільно скочуються з поверхні кутикули.

Оптичні зображення, на яких зображено 10 мкл краплі води, що демонструє надгідрофобний контакт на крилі журавлика (А) та ніжці з крапелькою води, підтримуваною шприцом, щоб уникнути скочування (В). Мікрокрапельки води з розпилювача туману підтримували волоски на венах крила (C), мембрані крила (D) і ніжці (E).

(A) Скануючий електронний мікроскоп (SEM) зображення ноги журавлика з чотирма різними типами волосся (типи 'a', 'b', 'c', 'd') з нанобрутками, видимими на типах волосся 'a', 'b 'та' c '. (B) SEM-зображення різного розміру волосків (типів «e» та «f») на крилі журавлика (з довгими волосками типу «e» на краю крила та жилах). (C) Зображення SEM із великим збільшенням крила журавлика, що демонструє волоски типу „f“.

Зображення SEM невеликого регіону вздовж ніжки журавлика показано на рис. 3А, де існують чотири типи волосся (типи „a“, „b“, „c“ та „d“). Тип волосся «a», найбільш виступаюче волосся, має довжину 90 ± 15 мкм і під кутом 25 ± 5 град до внутрішньої поверхні стовбура ноги. Це розташування нахилу подібне до волосків, що спостерігаються на водних кроках, які повинні підтримувати функцію над поверхнею води (Watson et al., 2010a). Однак довжина та ширина волосків типу «a» на журавлі зазвичай три рази більші, ніж у стріддерів (Watson et al., 2010a).

Зображення SEM з невеликим збільшенням (рис. 3B) показує, що більшість крила покриті рівномірним масивом дрібних волосків (тип 'f'), де середня довжина і відстань волосків на мембрані становлять 12 ± 1,5 мкм і 14 ± 2 мкм відповідно (рис. 3С). Більші волоски (тип «е»), виявлені на жилах крил, порівнянні з найдовшим волоссям типу «а» на ногах.

Більш тонкі структури волосків журавликів показані на рис. 4. Маленькі волоски типу "e" на крилі (рис. 4А) мають стрілоподібні борозни, схожі за зовнішнім виглядом на волоски, знайдені на ногах водяного стриба (Watson et al., 2010а). Волоски типу "а" на ногах (рис. 4В) мають мікро-/нано-архітектуру, що складається з ряду гребенів (глибиною близько 500 нм), що проходять уздовж стрижня волосся, тоді як надтонкі канали проходять по діагоналі і стикаються на верхівці та в основі великих канавок.

5А показує ногу журавлика, що плаває по воді, а волоски на боці ноги заглиблюють поверхню (виділено стрілками). Щоб дослідити, чи сприяє архітектура (тобто борознами) здатність волосся протистояти проникненню води, окремі волоски типу «а» покривали гідрофобним полімером PDMS (CA ∼101 град) (Watson et al., 2008) для підтримки хімічний внесок у процес. Взаємодія окремих волосків (без покриття та з покриттям) з краплями води показано на рис. 5B – D. Волоски без покриття, прикріплені до консолей AFM, були введені в контакт з краплею води із силами навантаження до 1,26 мкН і не змогли проникнути на поверхню води. На фіг. 5В показано ямочку на поверхні крапель між точками i і ii, створену контактом волосся без покриття. Однак поверхня води стала проникаючою, коли ефекти обох типів жолобкової структури були усунені товстим покриттям PDMS (рис. 5D). Тонша шерсть PDMS, що повністю покриває поверхню волосся, не заповнюючи глибокі борозни, також заважала волоссю проникати на поверхню води (рис. 5C).

Вимірювання адгезії AFM проводили на волосках без покриття та покриття, що взаємодіють з водою. Результати показали, що волоски без покриття та з тонким покриттям давали подібні показники адгезії (17,9 ± 4,3 та 35,6 ± 6,2 нН відповідно), що свідчить про те, що глибокі борозни все ще помітні з тонким покриттям (додатковий матеріал, рис. S2B). Адгезія волосся з густим покриттям (ширина якого все ще була подібною до волосся без покриття; додатковий матеріал Рис. S2) з водою стала більш ніж у 10 разів більшою без поверхневих структур (понад 500 нН), виділяючи значна роль нано-шорсткості волосся у зменшенні адгезії та протидії проникненню води.

СЕМ-зображення тонкої поверхневої структури, виявленої на невеликому волосяному покриві (A) та волосяному покриві ніг (B), на яких видно канавки з надтонкими каналами приблизно на 45 градусів, які стикаються у верхній і нижній частині більших канавок.

(А) Оптичне зображення, на якому зображені волоски журавлика на боці ніжки, що заглиблює водну поверхню (позначено стрілками). (B – D) Оптичні зображення, що показують взаємодію окремих волосків журавлика (тип „а“) з водою. (B) Волосся без покриття, що не проникають на поверхню води, як це спостерігається при утворенні ямки на поверхні крапельки з точок i до ii. (C) Волосся, тонко покриті гідрофобним полімером PDMS, також поглиблюють поверхню води. (D) Волосся з густим покриттям, що проникає на поверхню крапель.

Ідеальна архітектурно посилена незамочувальна поверхня має максимальну здатність протистояти проникненню води, дозволяючи рідині мати максимальну рухливість на поверхні (високий CA з низьким гістерезисом CA). Однак існує компроміс між посиленням двох властивостей при використанні лише одного архітектурного шару (Bush et al., 2007; Extrand, 2006).

Для того щоб підтримувати високу гідрофобність і плавучість, повітря повинно залишатися в межах нерівностей під рідким тілом. Рідше проникнення води через щільні нерівності виявляється на ногах швидких плавців, таких як водяний стридер (Bush et al., 2007). Ніжки мають високий коефіцієнт запобіжника, який закріплює контактну лінію тверде тіло-рідина-повітря, що вимагає високого тиску для витіснення повітря.

На відміну від водних кроків (Wei et al., 2009), журавлі не відчувають сильного гідродинамічного тиску від ударів ногами, і, отже, може не знадобитися щільний шар волосся типу «a» (Lafuma and Quere, 2003). Може бути бажано, щоб найбільш виступаючий шар волосся (тип "а") ніг журавлика був менш щільним (до 10 разів рідкішим), ніж у ніг водяного стридера, щоб збільшити рухливість крапель. Більш довгі (~ 3 рази) і жорсткіші волоски (константа пружини вдвічі вище) також є більш бажаними, щоб протистояти поверхневому натягу, зближуючи волоски разом (Perez-Goodwyn, 2009).

Незважаючи на те, що волоски на ногах журавлів довші та товщі, їх адгезія схожа на адгезію водяного стридера (Watson et al., 2010a); обидва вони значно зменшені їх поверхневими борознами. Мікро-канавки не тільки містять більше повітря для збільшення плавучості та гідрофобності, але також зменшують адгезію до води та інших небажаних поверхонь, а також забезпечують жорсткість конструкції без додаткової ваги та матеріалу.

Чотири типи волосся з різною структурою та розмірами можуть грати різну роль у функціонуванні комах. У багатьох комах на кутикулах є багатошарові ознаки, які поєднуються для запобігання змочуванню водними об’єктами різної довжини (Andersen and Cheng, 2005; Watson et al., 2010b; Watson et al., 2008). Як показано на рис. 2Е, саме довгі волоски (тип "а") на ногах першими стикаються з водними об'єктами, коли вони виходять за межі менших ворсинок волосся. Тиск навантаження від великого водойми призводить до того, що більш високі волоски руйнуються у напрямку до коротших шарів волосся, поки сила навантаження не збалансується сукупною жорсткістю всіх контактуючих волосків. Густі коротші волоски мають кривизну, яка вирівнює верхню половину волосся із вільною поверхнею, утворюючи більш ефективну повітряну пастку (Cheng, 1973). Багатошарове волосся є властивістю інших напівводних комах, де для занурення потрібен повітряний пластрон (Perez-Goodwyn, 2009). Волосся типу "c" і "d" можуть також сприяти виконанню інших функцій, крім протимокання, через малу довжину волосся (наприклад, сенсорну) (Perez-Goodwyn, 2009).

Маленьким крапелькам води, які потрапляють між довгими волосками (типи «а» та «b»), можна запобігти контакту з нижньою мембраною коротшими волосками внизу (типи «с» і «d»). Рухливість крапель (туман або інші дрібні краплі) зазвичай зростає в міру їх злиття, з відповідним збільшенням маси. Деякі менші краплі можуть також поглинатися більшими краплями зверху, які потім будуть відкочуватися (Watson et al., 2010b; Watson et al., 2010c).

Волоски на ніжках журавлика та водяного стридера мають дуже подібне нахилене розташування та вирівнювання жолобків волосся. Повідомляється про анізотропне змочування на нозі водяного стридера, оскільки лінія контакту з водою має більшу рухливість при просуванні до кінчика ноги (Andersen and Cheng, 2005). Подібна змочувальна дія може бути можливою на ніжці та крилі журавлика, при цьому більш тонкі діагональні борозни додатково посилюють анізотропну рухливість. Крім того, схожість між тонкою структурою волосків крила і дрібних волосків ніг (Watson et al., 2010a) свідчить про те, що краплі можуть легше відкочуватися вздовж напрямку малювання.