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，或将引领新型材料设计
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，表面布满波纹状的脊，赋予了蝴蝶翅膀吸水、散热和反射光线的能力，使其闪闪发光。如今，麻省理工学院的研究人员通过先进的成像技术，揭示了蝴蝶蜕变过程中鳞片形成脊状结构的秘密，这一发现或将为设计革命性新材料提供关键启示。
研究人员利用连续成像技术，观察了彩斑蝶在蛹中蜕变时翅膀上的微观特征。他们发现，单个鳞片最初的表面是光滑的，但在生长过程中开始起皱，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。
研究小组发现，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结构的生长。”
研究人员进一步发现，鳞片形成过程中，肌动蛋白束在鳞片膜下起支撑支架的作用，限制了鳞片膜的生长，类似于热气球上的绳索。随着鳞片膜的生长，它会在肌动蛋白束之间隆起，以一种弯曲的方式形成最初的平行脊。
为了验证这一想法，研究小组建立了一个理论模型，模拟了屈曲过程。他们将鳞片膜在不同发育阶段的高度和肌动蛋白束的间距等数据输入模型，并模拟了时间推移，结果发现模型产生的脊状图案与实际观察到的图案高度一致。
这项研究成果发表在《细胞报告物理科学》杂志上，为科学家们理解蝴蝶翅膀的精妙结构提供了新的视角，也为设计新型功能材料提供了宝贵的启示。
“鉴于蝴蝶鳞片的多种功能，我们希望了解并仿效这些过程，从而可持续地设计和制造新型功能材料，”科勒补充道，“这些材料将表现出量身定制的光学、热学、化学和机械特性，适用于纺织品、建筑表面、车辆——实际上，适用于任何需要表现出取决于其微观和纳米级结构特性的表面。”
这项研究的意义不仅在于揭示了自然界中精妙的结构形成机制，更在于为材料科学领域提供了新的设计思路。未来，科学家们可以借鉴蝴蝶翅膀的“屈曲”机制，设计出具有独特功能的材料，例如具有优异的散热性能、光学特性或机械强度的材料，应用于各种领域，推动科技进步和社会发展。
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