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.