rezumat

Suprafețele care nu umezesc sunt imperative pentru supraviețuirea insectelor terestre și semi-acvatice, deoarece permit rezistența la udare de către ploaie și alte suprafețe lichide pe care insectele le pot întâlni. Astfel, există o recompensă evolutivă pentru ca aceste insecte să adopte tehnologii hidrofobe, în special pe suprafețele de contact, cum ar fi picioarele și aripile. Cranefly este un zburător slab, cu multe specii care se găsesc de obicei în medii umede/umede unde depun ouă. Picăturile de apă plasate pe aripile acestei insecte se vor rostogoli spontan de pe suprafață. În plus, insecta poate sta pe corpurile de apă fără ca picioarele să pătrundă în suprafața apei. Picioarele și aripile acestei insecte posedă mii de fire de păr mici, cu topografii complexe de suprafață, cuprinzând o serie de creste care se desfășoară longitudinal de-a lungul axei lungi a fibrei de păr. Aici demonstrăm că această structură fină a părului îmbunătățește capacitatea firelor de păr de a rezista pătrunderii în corpurile de apă.

aripile

INTRODUCERE

Umectabilitatea suprafețelor este o proprietate fundamentală care a atras un mare interes și a făcut obiectul multor studii (Adamson, 1990; de Gennes, 1985; Fowkes, 1964; Holloway, 1970). Una dintre forțele motrice pentru o înțelegere mai detaliată a fenomenului a fost necesitatea de a proiecta noi materiale cu proprietăți specifice și adaptate ale suprafeței. De exemplu, o suprafață superhidrofilă cu un unghi de contact (CA) de aproape 0 grade a fost utilizată cu succes ca acoperire transparentă cu proprietăți anti-aburire și auto-curățare (Wang și colab., 1997). În plus, s-a demonstrat că multe suprafețe hidrofobe inhibă contaminarea, aderența la zăpadă, eroziunea și chiar conductivitatea electrică (Lafuma și Quere, 2003; Sun și colab., 2005).

Multe dintre aceste structuri fine de insecte cresc rugozitatea suprafeței cuticulei. Există o serie de teorii pentru a exprima umectabilitatea suprafeței pe baza rugozității suprafeței, toate având anumite ipoteze și limitări. Cassie și Baxter exprimă starea de umectare în termeni de mai multe interfețe: o interfață lichid-aer cu mediul ambiant care înconjoară picătura și o suprafață sub picătură care implică interfețe solid - aer, solid - lichid și lichid - aer (Cassie și Baxter, 1944). Eqn 1 arată CA format cu o suprafață aspră (θC): (1) unde Rf este factorul de rugozitate definit de zona solid - lichid până la proiecția sa pe un plan plat (factorul de rugozitate al zonei umede), fSL este fracțiunea din interfața solidă-apă (fracția de suprafață a zonei umede proiectate), și θ reprezintă CA care ar avea loc pe o suprafață netedă a aceleiași chimii și poate fi exprimată prin relația lui Young θ = cos - 1 [(γSV- γSL)/γLV] unde termenii γij corespund energiei/tensiunilor interfațiale solid - vapori, solid - lichid și lichid - vapori.

Una dintre numeroasele insecte care demonstrează o ierarhie a rugozității suprafeței este cranefly: una dintre cele mai abundente specii din toate Dipterele. Deoarece craneflies sunt iubitori notabili de umiditate, ei locuiesc într-o gamă variată de habitate unde este disponibilă apă și se găsesc de obicei odihnindu-se pe frunziș care surplombă surse de apă în locuri umbroase umede. Larvele apar în principal din apă sau din materie semilichidă (de exemplu, noroi) pentru a deveni adulți și majoritatea speciilor încetează să se hrănească după această etapă. Adulții prezintă un corp subțire și picioare extrem de lungi, cu aripile care se întind pe 8–75 mm și caracterizate prin faptul că au două vene anale care ajung la margine. Adulții zboară încet și neregulat aproape de terenurile umede, cu picioarele făcând contact regulat cu substratul.

Deoarece cranefly are picioare extrem de lungi și se găsește adesea în medii umede, insecta va fi susceptibilă la contactele adezive dăunătoare, precum și la ruperea în cel mai rău caz. Insecta poate deveni o victimă a imobilizării permanente pe apă sau suprafețe umede cu o capacitate redusă de a se sustrage sau de a lupta împotriva prădătorilor. În această lucrare am demonstrat modul în care structura fină a firelor de păr cranefly (Nephrotoma australasiae) de pe picioare îmbunătățește capacitatea lor de a respinge apa. Părurile mai mici găsite pe aripi au o structură similară și arătăm că această arhitectură ajută și insecta în condiții de ploaie/picătură.

MATERIALE ȘI METODE

Fotografie

Pentru a obține fotografii cu rezoluție de 8 megapixeli s-au folosit un SLR Canon Digital 350D și un obiectiv macro ultrasonic EF-S 60 mm. Decuparea, ajustarea luminozității și a contrastului și adăugarea barei de scară au fost efectuate folosind Photoshop 7.0.

Microscopie optică

S-au folosit un microscop optic AIS VG8 (Australian Instrument Services, Croydon, Victoria, Australia) atașat la o cameră CCTV color Panasonic WV-CP410/G, precum și un microscop compus din seria XSP (York Instruments, Sydney, NSW, Australia). Acestea au fost plasate într-o poziție verticală, orizontală sau inversată pentru a obține vederi de sus, laterale și de jos, respectiv. Au fost utilizate măriri de până la × 40.

Microscopie prin scanare electronica

Firele individuale au fost atașate la sondele microscopului de forță atomică (AFM) și țesuturile aripii/picioarelor (aripa aproximativ 3 mm × 3 mm, piciorul aproximativ 1 mm) au fost ținute pe un butuc de aluminiu tip pin cu adeziv dublu-lat impregnat cu carbon. Probele au fost acoperite cu pulverizare cu 7-10 nm de platină înainte de imagistică cu un microscop electronic cu scanare cu emisie de câmp JEOL 6300 (SEM) la 8 kV.

Microscopia forței atomice

Măsurătorile forței, inclusiv proprietățile mecanice ale părului și datele de aderență au fost obținute de un microscop cu sondă de scanare (SPM) Explorer TMX-2000 TopoMetrix (Veeco Instruments, Plainview, NY, SUA) cu un scaner de trepied de 130 × 130 μm 2 care are o gamă z de 9,7 μm. Operate în condiții de aer ambiant (temperatura de 22-23 ° C și 60-75% umiditate relativă, HR) și folosind modul forță versus distanță (F - d), curbele F - d constând din 600 de puncte de date au fost dobândite la viteze de traducere în intervalul 2–5 μm s –1 în direcția z. Calibrarea de-a lungul direcției z a fost efectuată în conformitate cu studiile anterioare (Watson și colab., 2004b; Watson și colab., 2002).

Cinci pârghii fără vârf „în formă de grindă” (NT-MDT Ultrasharp, Moscova, Rusia) cu constante de rigiditate (kN) determinate prin metode acceptate (Cleveland și colab., 1993) au fost utilizate pe 10 fire individuale, neacoperite. Au fost obținute douăzeci de curbe F - d atât pentru constanta forței, cât și pentru măsurătorile de aderență; firele de păr au fost apoi subțiri și groase acoperite cu polidimetilsiloxan (PDMS; Sylgard-184, Dow Corning, Corning, NY, SUA) și s-au obținut valori noi după ce fiecare acoperire s-a uscat (24 ore). Rigiditatea firelor de păr a fost obținută folosind metodele descrise anterior (Gibson și colab., 1996). Datele de aderență între un fir de păr atașat la pârghie și o picătură de 10 μl de apă Milli-Q au fost obținute cu picătura depusă pe o lamă acoperită anterior cu PDMS pentru a asigura un substrat hidrofob. Părul a fost pus în contact cu aproximativ 500 μm sub partea superioară a picăturii (material suplimentar Fig. S1) pentru a evita atracția meniscului între pârghia hidrofilă și apa Milli-Q.

Atașarea și acoperirea părului

Muștele macaralei (N. australasiae, Skuse 1890) au fost capturate în zonele Brisbane și Townsville din Queensland, Australia, în imediata apropiere a căilor navigabile. Cele mai lungi fire de păr cranefly (vezi Rezultate și discuții) au fost răzuite de pe picioare folosind un bisturiu chirurgical și lipite la capătul pârghiilor fără vârf sub microscopul optic. Pârghia a fost atașată la un translator intern de poziționare x, y și z. Acest aranjament a permis ca particulele/corpurile mici, de dimensiuni micrometrice, să fie atașate la pârghie (Watson și colab., 2004a). Capătul liber al pârghiei a fost coborât pe marginea unei picături de adeziv (rășină epoxidică cu întărire rapidă din două părți) și apoi pe capătul bazei de păr dorite, urmat de uscare timp de 24 de ore. Măsurătorile forței constantei arcului părului au necesitat ca baza părului să rămână fixată prin atașarea sa la cipurile neconforme AFM.

(A) În repaus (Nephrotoma australasiae) cu o zonă mare de contact cu frunza subiacentă ca urmare a picioarelor lor extrem de lungi. (B) O ovipozitare în partea de jos a modelului de zbor în sus - jos pe sol umed/noroios, care arată picioarele și tipul abdomenului în contact cu substratul subiacent.

REZULTATE SI DISCUTII

O fotografie a cranefly (N. australasiae) studiată aici este prezentată în Fig. 1. Cranefly în repaus demonstrează o zonă mare de contact cu substratul subiacent, de ex. frunze și sol umed, din cauza lungimii extrem de lungi a picioarelor.

Unele dintre exemplarele utilizate în acest studiu au fost colectate de-a lungul marginilor unui râu de apă dulce. Observarea obiceiurilor de zbor ale acestor insecte (12 insecte în total) a arătat o mișcare de săritură pe substrat (așternut de frunze, sol umed și noroios și suprafețe de apă). Această săritură a cuprins o ascensiune aproape verticală de 3-8 cm și apoi o mișcare descendentă în care picioarele insectelor au intrat în contact cu solul și suprafețele apei. Durata ciclului sus - jos a fost de obicei de aproximativ 0,3 s (3,3 Hz). Comportamentul de zbor observat este demonstrat prin supunerea craneflies în care tipul abdomenului lor intră frecvent în contact cu substratul (White, 1951) (Fig. 1B). Forța de impact a picioarelor cu solul pare a fi relativ mare și acest lucru ne-a determinat să speculăm că picioarele lungi sunt folosite ca arcuri pentru a controla impactul cu solul și/sau, eventual, pentru a ajuta la propulsarea insectei pe partea de ascensiune verticală a ciclu. Deoarece mișcarea de zbor necesită contactul piciorului cu solul umed, ar părea avantajos ca piciorul să prezinte modele structurale pentru a ajuta la respingerea apei.

Interacțiunea piciorului și aripii cranefly cu apa de diferite scări de lungime (picături de ploaie, iazuri, râuri etc.) este prezentată în Fig. 2. Piloții de păr în toate circumstanțele au dus la un contact inițial în care picăturile au atins o formă aproape sferică. Picătura de apă a prezentat o CA de peste 170 grade cu aripa așa cum se arată în Fig. 2A. CA aparentă a unei picături de apă susținută de un vârf de seringă și plasată pe piciorul cranefly a fost, de asemenea, extrem de ridicată (Fig. 2B). Micro-picăturile dintr-un spray cu ceață au prezentat CA similare atât pe suprafețele aripii, cât și pe picioare. FIG. 2C - E arată picăturile ținute în sus de firele de păr de pe vena aripii, membrana aripii și respectiv piciorul. Imaginile demonstrează natura aparentă superhidrofobă a cuticulelor, determinând picăturile de apă să se rostogolească spontan de pe suprafața cuticulei.

Imagini optice care prezintă o picătură de apă de 10 μl care afișează contactul superhidrofob pe o aripă și un picior cranefly cu picătura de apă susținută de o seringă pentru a evita rostogolirea (B). Micro-picăturile de apă dintr-un pulverizator de ceață au fost susținute de fire de păr pe venele aripilor (C), membrana aripii (D) și piciorul (E).

(A) Imagini cu microscop electronic cu scanare (SEM) ale unui picior cranefly cu patru tipuri diferite de păr (tipurile 'a', 'b', 'c', 'd') cu nanogrooves vizibile pe tipurile de păr 'a', 'b 'și' c '. (B) imagini SEM ale firelor de păr de diferite dimensiuni (tipurile ‘e’ și ‘f’) pe o aripă cranefly (cu fire de tip ‘e’ mai lungi pe marginea aripii și vene). (C) Imagine SEM cu mărire ridicată a unei aripi cranefly care prezintă fire de tip „f”.

O imagine SEM a unei mici regiuni de-a lungul piciorului cranefly este prezentată în Fig. 3A unde există patru tipuri de păr (tipurile „a”, „b”, „c” și „d”). Părul tip „a”, cel mai proeminent păr, are o lungime de 90 ± 15 μm și unghi la 25 ± 5 grade față de suprafața interioară a arborelui piciorului. Acest aranjament de înclinare este similar cu cel al firelor de păr observate pe pasagerii de apă, care trebuie să mențină funcția deasupra suprafeței apei (Watson și colab., 2010a). Cu toate acestea, lungimea și lățimea firelor de păr „a” de pe cranefly sunt de obicei de trei ori mai mari decât cele raportate la strideri (Watson și colab., 2010a).

O imagine SEM cu mărire redusă (Fig. 3B) arată că majoritatea aripii este acoperită într-un set uniform de fire mici (tip „f”) unde lungimea medie și distanța firelor de păr de pe membrană sunt de 12 ± 1,5 μm și 14 ± 2 μm, respectiv (Fig. 3C). Firele de păr mai mari (tipul „e”), găsite pe venele aripilor, sunt comparabile cu cel mai lung tip de păr „a” de pe picioare.

Structurile mai fine ale firelor de păr cranefly sunt prezentate în Fig. 4. Firele „e” de tip mic de pe aripă (Fig. 4A) au șanțuri asemănătoare săgeții, care au aspect similar cu firele de păr găsite pe picioarele pasagerului de apă (Watson și colab., 2010a). Firele de păr „a” de pe picioare (Fig. 4B) au o arhitectură micro-/nano constând dintr-un număr de creste (în jur de 500 nm adâncime) care se desfășoară de-a lungul axului părului în timp ce canalele ultrafine rulează în diagonală și se întâlnesc la vârf și la bază a canelurilor mari.

FIG. 5A prezintă un picior cranefly plutind pe apă cu firele de păr pe partea laterală a piciorului care crește suprafața (evidențiată de săgeți). Pentru a investiga dacă arhitectura (adică canelurile) ajută la capacitatea părului de a rezista pătrunderii apei, firele individuale de tip „a” au fost acoperite cu polimerul hidrofob PDMS (CA ∼101 deg) (Watson și colab., 2008) pentru a menține contribuția chimică la proces. Interacțiunea firelor de păr individuale (neacoperite și acoperite) cu picăturile de apă este prezentată în Fig. 5B - D. Părurile neacoperite atașate la consolele AFM au fost aduse în contact cu o picătură de apă cu forțe de încărcare de până la 1,26 μN și nu au putut să penetreze suprafața apei. FIG. 5B prezintă gropița de pe suprafața picăturii dintre punctele i și ii create de părul neacoperit în contact. Cu toate acestea, suprafața apei a devenit penetrabilă atunci când efectele de la ambele tipuri de structuri de canelură au fost îndepărtate printr-o acoperire PDMS groasă (Fig. 5D). Un strat mai subțire de PDMS care acoperă complet suprafața părului fără a umple canelurile mai adânci a împiedicat, de asemenea, pătrunderea părului pe suprafața apei (Fig. 5C).

Măsurătorile de aderență AFM au fost efectuate pe firele de păr neacoperite și acoperite care interacționează cu apa. Rezultatele au arătat că firele de păr neacoperite și acoperite subțire au dat valori de aderență similare (17,9 ± 4,3 și respectiv 35,6 ± 6,2 nN), sugerând că canelurile mai profunde erau încă proeminente cu un strat subțire (material suplimentar Fig. S2B). Aderența părului acoperit cu grosime (a cărui lățime era încă similară cu cea a părului neacoperit; material suplimentar Fig. S2) cu apă a devenit de peste 10 ori mai mare fără structurile de suprafață (peste 500 nN), evidențiind rol semnificativ al nano-rugozității firelor de păr atât în ​​reducerea aderenței, cât și în rezistența la penetrarea apei.

Imagine SEM a structurii de suprafață fină găsită pe un fir de păr mic (A) și un fir de picioare (B), care prezintă caneluri cu canale ultrafine la aproximativ 45 grade care se întâlnesc în partea de sus și de jos a canelurilor mai mari.

(A) Imagine optică care arată firele de păr cranefly pe partea laterală a piciorului dimpling suprafața apei (indicată prin săgeți). (B - D) Imagini optice care arată interacțiunea firelor de păr individuale (tip ‘a’) cu apa. (B) Un păr neacoperit care nu pătrunde în suprafața apei, așa cum se observă prin formarea unei gropițe pe suprafața picăturii de la punctele i la ii. (C) Un fir de păr subțire acoperit cu polimerul hidrofob PDMS, care, de asemenea, creează o suprafață a apei. (D) Un păr acoperit cu grosime care pătrunde pe suprafața picăturii.

O suprafață ideală arhitecturală îmbunătățită, fără umezire, are capacitatea maximă de a rezista la intruziunea apei, permițând în același timp lichidului să aibă o mobilitate maximă la suprafață (CA ridicată cu istereză redusă de CA). Cu toate acestea, există un compromis între îmbunătățirea celor două proprietăți atunci când se utilizează un singur strat de arhitectură (Bush și colab., 2007; Extrand, 2006).

Pentru a menține o hidrofobie și o flotabilitate ridicate, aerul trebuie să rămână în interiorul asperităților de sub corpul lichid. Asperitățile dense sunt mai puțin susceptibile de a fi pătrunse de apă și se găsesc pe picioarele înotătorilor rapizi, cum ar fi călătorul de apă (Bush și colab., 2007). Picioarele au un fSL ridicat care fixează linia de contact solid - lichid - aer, necesitând o presiune ridicată pentru a scoate aerul.

Spre deosebire de striderii de apă (Wei și colab., 2009), craneflies nu experimentează o presiune hidrodinamică ridicată din loviturile picioarelor și, prin urmare, nu pot necesita un tip dens de strat de păr „a” (Lafuma și Quere, 2003). Poate fi de dorit ca stratul de păr cel mai proeminent (tipul ‘a’) al picioarelor cranefly să fie mai puțin dens (de până la 10 ori mai rar) decât cel al picioarelor pasagerului de apă pentru a crește mobilitatea picăturilor. Părurile mai lungi (de 3 ori) și mai rigizi (constanța primăverii de două ori mai mare) sunt, de asemenea, mai de dorit pentru a rezista tensiunii superficiale atrăgând firele de păr împreună (Perez-Goodwyn, 2009).

În ciuda firelor de picioare cranefly fiind mai lungi și mai groase, aderența lor este similară cu cea a pasagerului de apă (Watson și colab., 2010a); ambele fiind foarte reduse de canelurile lor de suprafață. Microscoapele nu numai că conțin mai mult aer pentru a crește flotabilitatea și hidrofobia, ci reduc și aderența la apă și la alte suprafețe nedorite, precum și asigură rigiditate structurală fără greutatea și materialul suplimentar.

Cele patru tipuri de păr cu structură și dimensiuni diferite pot juca roluri diferite în funcționarea insectelor. Multe insecte au mai multe straturi de caracteristici pe cuticulele lor care se combină pentru a preveni umezirea de către corpuri de apă de diferite scări de lungime (Andersen și Cheng, 2005; Watson și colab., 2010b; Watson și colab., 2008). Așa cum se arată în FIG. 2E, firele lungi (tipul ‘a’) de pe picioare vor intra mai întâi în contact cu corpurile de apă pe măsură ce se extind dincolo de grămezile mai mici de păr. Presiunea de încărcare dintr-un corp mare de apă determină prăbușirea firelor de păr mai înalte către straturile de păr mai scurte, până când forța de încărcare este echilibrată de rigiditatea combinată a tuturor firelor de păr în contact. Firele groase, mai scurte, au o curbură care aliniază jumătatea superioară a părului cu suprafața liberă, formând o capcană de aer mai eficientă (Cheng, 1973). Părul cu mai multe straturi este o caracteristică a altor insecte semi-acvatice în care este necesar un plastron aerian pentru scufundare (Perez-Goodwyn, 2009). Părurile de tip „c” și „d” pot contribui, de asemenea, la alte funcții decât anti-udare din cauza lungimilor mici ale părului (de exemplu, senzoriale) (Perez-Goodwyn, 2009).

Picăturile mici de apă care cad între firele de păr lungi (tipurile ‘a’ și ‘b’) pot fi împiedicate să intre în contact cu membrana subiacentă de firele de păr mai scurte de dedesubt (tipurile ‘c’ și ‘d’). Mobilitatea picăturilor (ceață sau alte picături mai mici) crește în general pe măsură ce se unesc, cu o creștere corespunzătoare a masei. Unele picături mai mici pot fi, de asemenea, absorbite de picături mai mari de deasupra, care apoi se vor rostogoli (Watson și colab., 2010b; Watson și colab., 2010c).

Părurile de pe picioarele cranefly și pașii de apă au un aranjament înclinat foarte similar și alinierea canelurilor părului. Umezirea anizotropă este raportată pe piciorul pasivului de apă, deoarece linia de contact cu apa are o mobilitate mai mare atunci când avansează spre tipul piciorului (Andersen și Cheng, 2005). O acțiune similară de udare poate fi posibilă pe piciorul și aripa cranefly, cu șanțurile diagonale mai fine care sporesc și mai mult mobilitatea anizotropă. De asemenea, asemănarea dintre structura fină a firelor de aripă mai mici și a firelor de picioare (Watson și colab., 2010a) sugerează că picăturile se pot rostogoli mai ușor de-a lungul direcției de modelare.