王玉娟 宋小闯 陈云飞

(东南大学机械工程学院, 南京 211189)(江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室, 南京 211189)

猪笼草捕虫笼超滑表面黏附特性测量和抗黏稳定性分析

王玉娟 宋小闯 陈云飞

(东南大学机械工程学院, 南京 211189)(江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室, 南京 211189)

利用环境扫描电子显微镜(ESEM)表征红瓶猪笼草叶笼蜡质滑移区表面微观结构．利用手动悬臂移动法在原子力显微镜(AFM)无针尖探针悬臂上黏附15 μm二氧化硅微球模拟单根刚毛与猪笼草蜡质区表面的接触,对新鲜蜡质区表面黏附力和摩擦力在干燥空气环境和不同湿度条件的空气环境中做定量测试,并以光滑玻璃和热氯仿处理后的猪笼草表面作为参照．研究结果表明:猪笼草蜡质滑移区表面三维片状蜡质晶体是导致昆虫在植物表面打滑的主要原因,该结构能有效减小微球(或刚毛)与相应接触面的接触面积,从而降低微球(或刚毛)的黏附力和摩擦力．猪笼草蜡质滑移区表面三维片状蜡质晶体能有效排除接触区附近的水蒸气,保证了猪笼草蜡质滑移区在不同的湿度条件下均能保持高效抗黏稳定性．猪笼草蜡质滑移区表面的微构筑模式为微纳机电系统中抗黏附设计提供了绝佳的仿生学模板．

猪笼草;蜡质区;抗黏附;稳定性

猪笼草属于热带食虫植物，原产地主要为旧大陆热带地区.该地区土壤贫瘠，猪笼草的叶笼逐渐进化出捕食小昆虫的功能，从而获得氮、磷等营养物质[1-3].猪笼草拥有一个独特的吸取营养的器官——捕虫笼，捕虫笼呈圆筒形，笼口上方有盖子.瓶身主要由3部分构成：① 口唇区，形状和颜色类似花朵并且能够分泌蜜液，是吸引昆虫的重要结构之一.唇上有横向平行的光滑的脊，湿润条件下形成润滑膜，使昆虫打滑，落入笼中.② 蜡质滑移区，蜡质区存在于捕虫笼内表面的上部.光滑的蜡质区会阻止落入捕虫笼内的昆虫爬出.③ 消化区，位于捕虫笼内表面下部，表面有消化腺，能分泌消化液，淹死落入捕虫笼中的昆虫并消化它.3个区域相互协调共同作用,构建了诱惑—滑落—抗黏—消化的完美捕虫策略．其中,叶笼蜡质滑移区是猪笼草属植物捕获昆虫最重要的组成部分,它的抗黏附功能以及表面与昆虫光滑脚垫或刚毛的相互作用机理受到生物学家和工程研究人员的广泛关注.Gaume等[3]率先利用高倍摄像头捕捉蚂蚁和苍蝇等昆虫在猪笼草各功能表面的攀爬行为和被捕获效率,区分了各功能区域的不同作用,验证了蜡质滑移区表面的抗黏附功能．Bauer等[4-5]利用离心分离和微传感器的方法测试了甲虫在猪笼草滑移区和不同粗糙度抛光纸表面的黏附特性,认为表面粗糙度是减小昆虫黏附的关键．Kovalev等[6]利用数值模拟方法建立了基于流体运动学的二维模型,认为猪笼草表面微结构能有效地吸收昆虫黏附器官的分泌液,导致其黏附失效．Grob等[7]在双叶弹簧力学传感器前端黏附一个柔软的半球,模拟昆虫光滑垫与蜡质滑移区表面的接触,认为蜡质晶体对昆虫黏附器官的污染是导致其黏附失效的主要原因．王立新等[8]研究了猪笼草蜡质滑移区新月细胞的各向异性特性,用于蝗虫捕集滑板的仿生设计．张鹏飞等[9]进行了猪笼草内表面微结构和浸润性研究．

国内外有关猪笼草捕虫机制的研究取得一定进展,但是关于其蜡质滑移区的反黏附特性还未形成统一认识,其中一个重要原因就是可靠测量方法的缺失．离心分离法在测试过程中转动平台的转速通常高达每分钟几十到几百转,转台周围空气高速流动影响了昆虫自由状态下的攀爬行为,所测实验数据可信度低．微传感器法测量精度较高,但是通常要对昆虫的自由活动进行限制且对于面积较小的测试平面不易操作．由于昆虫黏附器官涉及到爪子、刚毛、光滑垫、黏附液等的耦合作用,直接测试昆虫在被测表面的黏附和摩擦不能直观反映植物表面脱附机理和表面特性,也难以研究单一黏附器官与植物表面的作用．数值模拟法和双叶弹簧半球法规避了离心分离法和微传感器法的缺陷,模拟结果直观．但是数值模拟法模型简单、单一且施加了许多限定条件,与昆虫的真实黏附状况匹配度低．双叶弹簧半球法相对于前述方法优势明显,但是由于传感精度、弹簧结构和半球尺度等的限制,该方法只能模拟昆虫光滑脚垫与植物表面的黏附状态,无法模拟刚毛与植物表面的接触或光滑脚垫与植物表面的摩擦状态．

本文利用原子力显微镜(AFM)高精度特征,在无针尖探针悬臂上黏附合适尺寸的微米小球模拟昆虫单根刚毛与脱附植物表面的接触,定量测试其黏附和摩擦特性,在此基础上,分析空气湿度对表面抗黏附稳定性的影响．

1 试验原理及方法

1.1 微观形貌表征

试验对象选用红瓶猪笼草，表征仪器采用环境扫描电子显微镜(XL30，FEI-HPLIPS).试验前，取出鲜活的成株猪笼草，在口唇区下方约为1 cm的部位剪取长宽各10 mm的样品，用氮气缓慢吹掉表面的附着物，尽量不破坏样品表面形态，然后用双面胶将试样固定在光滑玻璃片上.同时选取光滑玻璃和去除三维蜡质晶体的猪笼草蜡质滑移区表面做对照试验．将新鲜猪笼草蜡质滑移区表面浸入热氯仿(北京化工厂生产)中30 min,去除叶片表面的三维蜡质晶体,然后用去离子水漂洗干净,按照前述方法经氮气吹干后制备成样品备用．制备好的样品表面利用环境扫描电子显微镜在不同放大倍数下扫描观察．

1.2 黏附力和摩擦力测量

1) 按照1.1节方法制备新鲜样品备用．

2) 胶体探针制备.参照文献[10],采用悬臂移动法，利用AFM (Asylum Research美国原子力显微镜)的双光路系统，选择下光路，在CCD视窗帮助下，手动移动无针尖悬臂，使之接触UV固化胶(东莞耀威有限公司)，在悬臂前端黏结适量胶水，然后手动移动无针尖悬臂，采用同样方法使悬臂上的胶水与提前分散在光滑玻璃片上的15 μm的二氧化硅小球接触并黏结.处理好的悬臂用紫外线固化灯固化10 min，使UV固化胶充分固化.

3) 利用制备好的胶体探针测试干燥条件和不同湿度条件时的新鲜叶笼蜡质滑移区、光滑玻璃和氯仿处理猪笼草蜡质滑移区表面的黏附力和摩擦力．新鲜蜡质区和热氯仿处理的蜡质区表面的力学测试均在新月细胞之间的区域进行,即扫描区域不涉及到新月细胞．扫描长度为10 μm,扫描速度20 μm/s．通过在密闭小空间范围内的空气加湿器和空气除湿器共同作用来控制环境中的湿度,保持湿度值稳定(偏差±2%)5 min 以上再进行相关测试．

以猪笼草最常捕获的昆虫苍蝇和甲虫为例,昆虫黏附垫上密集排布着一根根刚毛,单根刚毛底部近似平面．根据物种不同和年龄差异,刚毛直径分布为1～6 μm[11-12]．根据JKR黏着理论,15 μm二氧化硅微球在零载荷条件下与光滑表面的接触面直径与单根刚毛接近[13],因此利用15 μm二氧化硅微球模拟单根刚毛与各平面的接触是合理的．

由于胶体探针的侧向灵敏度α难以准确校正,因此正压力和摩擦力分别用法向偏转电压Vn(Vn=Fn/β)和侧向偏转电压Vf(Vf=Ff/α)来表示．其中,Fn,Ff分别为正压力和摩擦力;β,α分别为胶体探针的法向灵敏度和侧向灵敏度．

1.3 浸润特性分析

利用接触角测量仪(JC2000D)测量新鲜猪笼草蜡质区表面、光滑玻璃和热氯仿处理的猪笼草蜡质区表面的接触角．利用微量进样器取去离子水2 μL滴在样品表面，每个样品在不同位置选取10个测量点，这些点测量值的平均值作为该样品表面与去离子水的接触角.

2 试验结果及分析

2.1 表面形貌

新鲜蜡质滑移区表面存在着新月形结构，这些结构都朝向下方，形成如图1(b)和(c)所示凸面轮廓.同时整个蜡质区还存在一层蜡质结构，单片蜡质晶体近似垂直排列在叶笼内壁，相互之间交叉排列成网状，如图1(d)和(e)所示.

(a) 红瓶猪笼草

(d) 片状蜡质晶体1

图1 猪笼草笼蜡质滑移区表面微观结构的ESEM图

如图2所示,热氯仿处理的猪笼草蜡质滑移区表面的绝大部分蜡质晶体被去除,新月细胞之间的区域呈光滑状态．

(a) 氯仿处理后滑移区

(b) 红色区域放大图

2.2 干燥空气条件下样品表面的黏附和摩擦特性

如图3(a)、(b)所示,干燥空气条件下,新鲜猪笼草蜡质区表面的黏附力和摩擦力明显小于光滑玻璃表面．热氯仿处理的蜡质区表面相对新鲜猪笼草蜡质区表面其黏附力提高了约12倍,摩擦力提高了约7倍,但其黏附力和摩擦力都略小于光滑玻璃表面．进一步分析此现象,干燥且不导电的两表面接触时,主要靠分子间范德华力提供黏附力．玻璃和热氯仿处理的蜡质区表面较光滑,微球(或昆虫刚毛)与之相互作用时接触面积较大,如图4(a)所示,产生较大黏附力．而新鲜的猪笼草蜡质区表面近似垂直排列着片状蜡质晶体,微球(或昆虫刚毛)与其基本是点接触(见图4(b)),因此削弱了微观尺度的黏附作用．另外,从能量角度分析,接触面积越小,两接触表面分离和相对运动所需要克服的黏着能和作用势就越小,因而黏附力就越小．表面物理化学性质的差异以及热氯仿处理的猪笼草表面残存少量蜡质晶体残留物,所以其黏附力和摩擦力略小于光滑玻璃．

(a) 黏附力

(b) 摩擦力

(a) 光滑表面

(b) 猪笼草蜡质滑移区表面

2.3 湿度条件对抗黏稳定性的影响

为了研究环境湿度对新鲜猪笼草蜡质滑移区表面抗黏附稳定性的影响,本文还测量了不同空气湿度条件下新鲜蜡质区及其对照表面的黏附力和摩擦力．如图5(a)、(b)所示,小湿度条件下(RH<35%),光滑玻璃表面的黏附力和摩擦力随着湿度增加显著增大,湿度增加到一定程度,摩擦力和黏附力的增速趋缓,当湿度增到50%左右时,黏附力几乎保持稳定,摩擦力开始急剧下降．氯仿处理的猪笼草蜡质区,在小湿度条件下,黏附力和摩擦力对湿度变化不敏感,大湿度条件下两者均显著增加．然而,新鲜的猪笼草蜡质区表面在整个湿度范围内黏附力和摩擦力几乎不变,始终保持高效抗黏附特征．

(a) 黏附力

(b) 摩擦力

湿度空气环境中,2个不带表面电荷且亲水性固体界面相互靠近或接触时,通常空气中的水蒸气通过自然冷凝进入固体表面裂缝形成液桥．此时黏附力由毛细桥梁形成的毛细力、分子间范德华力和液体表面张力的垂直分量3部分构成,表面张力的垂直分量与毛细力和范德华力相比非常小,因此通常忽略不计,黏附力表达式[14-15]可写为

Fadh=Fcap+Fvdw+Ft≈Fcap+Fvdw

(1)

式中,Fadh为界面间的黏附力;Fcap为毛细力;Fvdw为固-固接触的范德华力;Ft为表面张力的垂直分量．

光滑玻璃表面的水接触角为29°(见图6),表现为强亲水性．因此小湿度条件下,空气中的水蒸气能迅速进入接触区域冷凝形成毛细液桥．而且由于水分子作用,固-固黏着形成的范德华力减小,毛细力迅速增加．由于微米尺度范围内毛细力增大量远大于范德华力的减少量[14],因此，黏附力迅速增

加．另外由于液桥的形成,两固体界面间水膜面积增大,微球侧向运动需要做更多功破坏液桥内部的拉普拉斯压力,因此光滑玻璃表面摩擦力也随之迅速增加．当湿度增加到35%～50%时,液桥形态趋于稳定,形成图7(a)所示的稳定弯月状液面．此时的黏附力可表示为[14-15]

Fadh≈Fcap+Fvdw

=2πRγL(cosθ1+cosθ2)+1.5πRw12L

(2)

式中,R为微球半径;γL为水的表面张力;θ1,θ2分别为上、下界面的接触角;w12L为液桥状态下固-固界面的黏着能．由式(2)可看出,稳定液桥状态下毛细力仅与表面张力、微球半径和两界面的接触角有关,与液体体积和液桥面积无关．由于此湿度范围内液桥弯月面形态趋于稳定和饱和,黏附力和摩擦力增速变缓．大湿度空气环境(RH>50%)下,摩擦力急剧下降,说明随着湿度的增加,微球与植物表面被形成的连续多分子层水膜隔开,如图7(b)所示．由于水的黏度很低,多分子层水膜起到润滑作用,造成摩擦力急剧下降．在此过程中,范德华力消失,θ2=0,黏附力可表示为[14-15]

Fadh≈Fcap=2πRγL(cosθ1+1)

(3)

在微观尺度下，范德华力的减少量小于毛细力的增量,所以此阶段,黏附力略微增大．

热氯仿处理的猪笼草蜡质滑移区表面接触角为71°(见图6),表现出弱亲水性.小湿度条件下,摩擦力和黏附力随湿度增大微量增加,大湿度条件下摩擦力和黏附力增幅显著．说明小湿度条件下,水蒸气在其表面形成液桥的能力弱于强亲水性的光滑玻璃表面．而在大湿度条件下,微球表面迅速形成毛细液桥,摩擦力和黏附力急剧增加．

(a) 稳定的弯月面液桥模型

(b) 多分子层水膜状态下液桥模型

新鲜猪笼草蜡质滑移区表面的水接触角为155°(见图6),表现出超疏水性,在整个湿度范围内,其黏附力和摩擦力几乎不受空气湿度影响,均保持较低值,即在整个湿度范围内均能保持高效抗黏附功能．新鲜猪笼草蜡质滑移区超疏水特性以及表面蜡质滑移区的三维微结构能有效排除接触区附近的水蒸气,始终保持微球或昆虫刚毛与植物表面的固-固接触．

3 结论

1) 猪笼草蜡质滑移区表面三维片状蜡质晶体是其导致昆虫黏附系统失效的主要原因．此结构能有效减小昆虫刚毛与基底的接触面积,降低刚毛的黏附力和摩擦力．

2) 猪笼草蜡质滑移区表面的三维构筑能有效排除刚毛与其接触区附近的水蒸气,使两者始终保持固-固点接触,从而在整个湿度范围内均保持高效抗黏附功能．

猪笼草蜡质滑移区表面的抗黏附构筑模式为微纳机电系统中的低黏附设计提供了绝佳的仿生学模板．

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Measurement of adhesion properties and analysis of anti-adhension stability on super-slippery surfaces of nepenthes pitchers

Wang Yujuan Song Xiaochuang Chen Yunfei

(School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(Jiangsu Key Laboratory for Design and Manufacture of Micro-nano Biomedical Instruments,Southeast University, Nanjing 211189, China)

The micro-topography of nepenthes waxy zone surfaces was acquired by environment scanning electron microscope (ESEM). Colloid probe using hand-operated cantilever moving method was used to behave as a single seta by gluing a 15 μm silica sphere onto the probe cantilever equipped without tips. Adhesion and friction forces of the fresh waxy zone surface were measured under dry and various humid conditions using these colloid probes, and compared with those of smooth glasses and waxy zone surfaces after exposed in hot chloroform. The results show that three-dimensional wax crystals of nepenthes surface play a key role in leading to the insect slipping on these surfaces, because the structure lowers the adhesion and friction forces by reducing the contact area between the tiny sphere/seta and the surfaces. Additionally, these three-dimensional wax crystals can efficiently drive away water vapor around the contact area, thus keeping the waxy zone with an efficient and highly stable anti-adhesion under various humid conditions. The surface architecture of nepenthes waxy zones provides an excellent bionic model for the anti-adhesion design in micro-nano electromechanical systems.

nepenthes; waxy zone;anti-adhesion; stabilization

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.011

2016-08-11. 作者简介: 王玉娟(1974—)，女，博士，副教授，yujuanwang@163.com.

国家自然科学基金资助项目(51345012).

王玉娟,宋小闯,陈云飞.猪笼草捕虫笼超滑表面黏附特性测量和抗黏稳定性分析[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(2):259-264.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.011.

TH117

A

1001-0505(2017)02-0259-06