Aripile și picioarele neumede ale cranefly ajutate de structuri fine ale cuticulei Journal of

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.