雨水為啥「打不濕胡蝶翅膀」?解密后,科學家做出世上「最防水的材料」!

花樱 2022/07/06 檢舉 我要評論

落花人獨立,微雨「蝶」雙飛。

下雨天大多數胡蝶都躲在樹葉下避雨,但長著一雙炫麗翅膀的藍閃蝶卻會在雨中飛翔。

落到你頭上的雨點微不足道,但同樣一滴雨,落到胡蝶身上卻能造成巨大的傷害。常見的藍閃蝶平均體重為 2~3克,而雨滴的平均重量是 70毫克一滴雨水落到藍閃蝶的翅膀上,相當于一個保齡球那麼重的水球砸在你的身上。

藍閃蝶為什麼能抵抗住沉重的水球沖擊,在雨滴中翩翩起舞呢?這個問題的答案藏在胡蝶翅膀上面,那一顆顆像灰塵一樣的鱗片里。

藍閃蝶是胡蝶界里的大個頭,個頭最大的藍閃蝶鋪開翅膀后,寬度達到20厘米,能覆蓋住你的整個手掌。它的翅膀上有百萬顆微小的鱗片,這些鱗片不僅給胡蝶調配出一對,會變色會閃光的夢幻翅膀,還給胡蝶編織出一件,世界上防水能力最強的高科技雨衣。

藍閃蝶的學名叫Morpho,跟希臘神話中,象征愛與美的女神阿芙洛狄蒂同名。藍閃蝶是世界上最美麗的胡蝶,也是最會變色的胡蝶,每次在陽光里扇動一下翅膀,就能變換一種顏色,不僅能變幻出深深淺淺的藍色,還能變成綠色、紫色,閃爍著金屬般的光澤。 夢幻胡蝶的翅膀閃亮耀眼,滑翔機上的飛行員,在低空飛行時,甚至能看見1公里以外的藍色胡蝶。

神奇的是,為胡蝶調配出各種顏色的鱗片,本身卻是透明無色的。掃落翅膀上的鱗片,碾壓成更細小的微粒后,你會看見藍色的鱗片變成一堆透明無色的粉末,碾碎后的粉末再也變幻不出多彩的顏色。 原來翅膀上美麗的藍色不是色素的色彩,而是結構的色彩,由鱗片上納米級的結構形成,光線照射在鱗片上的角度不同,會折射出不同的顏色。一旦破壞了鱗片的結構,它也失去了折射色彩的能力。

更厲害的是,鱗片上微小的納米結構,不僅有調配色彩的魔力,還有最高超的防水能力。

放大胡蝶的翅膀,可以看見鱗片的細節。 鱗片并不是隨意粘貼在翅膀上,而是像樹葉一樣長在翅膀上。一排排的鱗片整整齊齊地疊加排列,跟屋頂的瓦片一樣,按照前后順序覆蓋住整個翅膀。胡蝶的鱗片比屋頂瓦片要精致得多,它根本不會吸水,雨水澆不濕鱗片。

接著放大細節,你會看見鱗片表面并不光滑,上面有一條條凸起的細線。粗糙表面像一個齒輪,凸起的細線是齒輪上的齒牙,納米級的齒牙直徑還不到頭髮絲的1‰。

一滴雨水落到鱗片上,比針頭還細的齒牙,會像扎破氣球一樣扎破雨滴,把它分解成很多小水滴。雖然一滴雨水的重量類似砸在腦袋上的保齡球,但扎破分解后的小水滴,大大減輕了雨水對翅膀的沖擊力。翅膀上的小水滴只能接觸到鱗片齒牙上的齒尖部分,然后會順著齒輪排列的方向滾落。鱗片的齒輪結構不僅最大程度地減少了翅膀跟雨水的接觸面,還形成了引導坡度,讓水滴只會順著一個方向滾動,快速滾落翅膀的邊緣。 簡單地說,雨點打在藍閃蝶的身上,只會跟它擦肩而過,而不會淋濕胡蝶。這套不會濕身的絕技,賦予了藍閃蝶冒雨前進的勇氣。

自然界里,我們最熟悉的防水材料是荷葉。雨水滴落在荷葉上,只會滾來滾去,滾成一個大水球,卻始終不能淋濕荷葉。荷葉不會吸水的特性,跟胡蝶不會濕身的天賦類似。 荷葉葉面上也有一層納米級別的小柱子,雨水只是落在柱子的頂端,大大減少了水滴跟葉面的接觸面積。不過,同樣是防水材料,胡蝶比荷葉更強悍。

來看圖片對比,左邊是吸水材料,中間是類似荷葉的防水材料,右邊是類似鱗片的防水材料。 一滴水落在防水材料上會產生反彈,被材料分解成小水滴的反彈速度,比整個大水滴的反彈速度要快一倍,也就是說,分解成小水滴后,水接觸到材料的時間更短。

水滴在材料表面上的停留時間越短,越不容易淋濕材料。揭開了藍閃蝶翅膀比荷葉更加防水的秘密之后,麻省理工學院團隊,研制出迄今為止,世界上最防水的材料。

團隊在鋁銅合金的表面,仿照胡蝶鱗片上的齒輪樣式,刻畫出納米級別的防水結構。 雨水落到金屬表面上的排水速度,比落到荷葉上要快40%。比荷葉更防水的金屬材料,用來制造飛機真是太完美了。

海拔 7000米以下的對流層,時常分布著零度以下的過冷水滴,過冷水滴撞擊到飛機上,會迅速凍結成冰。厚實的冰層凍結在飛機機翼上,會改變機翼形狀,減少飛行升力,增加飛行阻力,甚至會造成嚴重的飛行事故。航空界把飛機結冰列為,影響飛行的6大氣象因素之一。

但是如果用防水新材料制造飛機,再也不用擔心機翼結冰的隱患了。過冷水滴剛剛蹭到飛機外殼,還沒來得及結冰,就會滾落下去。穿越云層的飛機,就像在雨中飛行的胡蝶,漫步在萬千雨絲之中,卻滴水不沾,不會濕身也不怕結冰。

以前設計的防水材料,大多數都像給汽車打蠟一樣,涂抹一層防水涂層,經不住磨損或是高溫的考驗。現在把防水結構直接刻畫在材料表面,大大增強了材料的耐用性。 防水結構的應用范圍很廣,比如刻畫在風力發電機的渦輪葉片上,可以顯著提高發電效率。另外,防水結構還能用在紡織面料上,做出超級防水的賬篷、沖鋒衣,還有醫護工作者的防護服。

還是那句老話,自然界一直走在我們的前面。哪怕是一只弱不禁風的胡蝶,也有一雙高科技的翅膀,引領我們制造出世界上最防水的材料。

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