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的秘密，或将为新型光热管理材料的设计提供灵感。
蝴蝶翅膀上覆盖着数十万片细小的鳞片，这些鳞片就像薄如纸的屋顶上的微型瓦片，表面有波纹状的脊，有助于吸水、散热和反射光线，使蝴蝶的翅膀闪闪发光。麻省理工学院的研究人员最近揭示了这些鳞片形成的秘密，这项研究发表在《细胞报告物理科学》杂志上，为设计新型光热管理材料提供了潜在的应用前景。
研究人员利用先进的成像技术观察了蝴蝶在蛹中蜕变时翅膀上的微观特征，连续拍摄了单个鳞片从翅膜生长出来时的图像。这些图像首次揭示了鳞片最初光滑的表面如何开始起皱，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，这些纹脊决定了成年鳞片的结构和功能。
研究人员发现，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（Mathias Kolle）解释说：“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，发现鳞片的细胞膜生长时，会被肌动蛋白束有效地固定住。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。研究人员推测，肌动蛋白束对生长膜的约束作用类似于热气球上的绳索。随着蝴蝶翼鳞的生长，翼鳞将在底层肌动蛋白丝之间隆起，以一种弯曲的方式形成鳞片最初的平行脊。
为了验证这一想法，研究人员研究了一个描述屈曲一般力学原理的理论模型。他们在模型中加入了图像数据，如测量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。然后，他们将模型时间向前推移，以观察其机械屈曲的基本原理是否会产生与研究小组在实际蝴蝶中观察到的相同的脊状图案。
通过这种建模，研究人员发现我们可以从一个平坦的表面变成一个起伏更大的表面。从力学角度来看，这表明膜的屈曲很有可能是形成这些惊人的有序脊的起因。
这项研究为我们提供了对蝴蝶翅膀鳞片形成机制的深入了解，也为设计新型功能材料提供了新的思路。研究人员希望通过仿效蝴蝶翅膀的结构，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、车辆等各个领域。
“鉴于蝴蝶尺度的多功能性，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。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，”科勒补充道。
这项研究不仅揭示了自然界中令人惊叹的工程奇迹，也为我们提供了新的灵感，让我们能够利用生物学原理来设计和制造更先进、更可持续的材料，为人类社会带来更多福祉。
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