蝴蝶翅膀的秘密：启发革命性新材料的关键
麻省理工学院研究人员揭示蝴蝶翅膀鳞片形成机制，为新型光热管理材料设计提供启示
蝴蝶翅膀上覆盖着数以万计的微小鳞片，这些鳞片就像薄如纸的屋顶上的微型瓦片，其表面布满了波纹状的脊，赋予了蝴蝶翅膀独特的吸水、散热和反射光线的功能。这些鳞片结构的复杂程度令人惊叹，而它们是如何形成的，一直是科学家们探索的谜团。
近日，麻省理工学院的研究人员利用先进的成像技术，成功捕捉到了蝴蝶蜕变过程中单个鳞片形成脊状花纹的最初瞬间。这项研究发表在《细胞报告物理科学》杂志上，为我们理解鳞片形成的机械特性提供了新的视角，并为设计新型光热管理材料提供了潜在的应用前景。
研究人员通过连续拍摄蝴蝶在蛹中蜕变时翅膀上的微观特征，首次揭示了鳞片最初光滑的表面是如何开始起皱，形成微小的平行起伏。这些波纹状结构最终长成了精细的纹脊，决定了成年鳞片的各种功能。
研究发现，鳞片向波纹表面的转变很可能是“屈曲”的结果。屈曲是一种描述光滑表面在密闭空间内生长时如何起皱的一般机制。麻省理工学院机械工程副教授马蒂亚斯·科勒解释道：“屈曲是一种不稳定性，作为工程师，我们通常不希望发生这种情况。但在这种情况下，生物体利用屈曲来启动这些错综复杂的功能性结构的生长。”
研究人员观察了小红蛱蝶 Vanessa cardui 的鳞片发育过程，发现鳞片沿着翼膜精确地重叠生长，就像屋顶上的瓦片一样。他们还发现，鳞片最初的平滑表面会逐渐隆起，形成规则的平行脊状图案。
通过对鳞片形成过程的深入研究，研究人员推测，肌动蛋白束在鳞片形成过程中起着关键作用。肌动蛋白束是在生长的细胞膜下运行的长丝，在鳞片成形时起到支撑支架的作用。随着鳞片的生长，它会在底层肌动蛋白丝之间隆起，以一种弯曲的方式形成最初的平行脊。
为了验证这一想法，研究人员建立了一个理论模型，模拟了屈曲过程。他们将图像数据，如鳞片膜在不同发育早期阶段的高度，以及横跨生长膜的肌动蛋白束的不同间距，输入模型。结果表明，模型预测的脊状图案与实际观察到的图案高度一致，进一步证明了屈曲在鳞片形成中的重要作用。
这项研究不仅揭示了蝴蝶翅膀鳞片形成的机制，也为我们设计新型功能材料提供了新的思路。研究人员希望通过模仿蝴蝶鳞片的结构和功能，设计出具有量身定制的光学、热学、化学和机械特性的材料，应用于纺织品、建筑表面、车辆等领域。
这项研究的共同作者安东尼·麦克杜格尔表示：“我们想从大自然中学习，不仅要学习这些材料的功能，还要学习它们是如何形成的。如果想制造一个褶皱的表面，这对各种应用都很有用，那么这就提供了两个非常容易调整的‘旋钮’来定制这些表面的褶皱方式。可以改变固定材料的间距，也可以改变固定部分之间材料的生长量，我们发现蝴蝶同时使用了这两种策略。”
这项研究为我们理解生物材料的形成机制提供了新的视角，也为未来材料科学的发展提供了新的方向。相信随着研究的不断深入，我们将会从大自然中获得更多启示，设计出更加高效、环保、功能强大的新材料，为人类社会带来更多福祉。
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