Zikade Flügel sind selbstreinigend

Diese Geschichte wurde um 11:16 Uhr EDT 1 Mai aktualisiert.

(ISNS)--als 17-jährigen Zikaden dem Boden überall in den Nordosten der USA in diesem Frühjahr entziehen werden sie in eine Welt reemerging sein, die ihnen ein wenig besser versteht. Forscher finden nun, dass das Design ihrer Flügel Schmutz direkt aus von ihnen mit Hilfe des Taus, Erkenntnisse zu springen, die helfen könnten, besser künstliche selbstreinigende Materialien führen führen kann.

Wissenschaftler hatte gewusst, dass Zikade Flügel super-water-repellent oder Super-hydrophob sind. Dies unterscheidet sich von einer großen viele Substanzen, die einfach wasserabweisend oder hydrophoben – zum Beispiel Öl und Wasser bekanntlich nicht mischen. Aber eine Reihe von Oberflächen wie Lotusblätter kann sich noch wasserabweisend bedeckt sich mit mikroskopisch kleinen Unebenheiten, Wassertropfen an der Spitze schweben können, viel wie Mystiker auf Betten Nägel liegen können. Z. B. Kegel Zikade, die Flügel in den Reihen der wachsartige fallen etwa 200 Nanometer oder Milliardstel Meter hoch. Im Vergleich dazu ist das durchschnittliche menschliche Haar etwa 100 µm oder millionstel Meter breit.

Wenn es regnet, die Super-hydrophoben Charakters Zikade Flügel kann ihnen helfen, sauber-Tröpfchen Walzen oder plantschen Sie können entfernen, Boden, Staub, Pollen und Mikroben. Aber was passiert, wenn es regnet nicht, vor allem in den vier bis sechs Wochen haben die Erwachsenen Zikaden oberirdisch vor seinem Tod zu leben?

Jetzt Wissenschaftler finde Regen nicht notwendig Zikade Flügel sauber zu halten. Offenbar kann Schmutz einfach rechts von ihnen gegeben Tau springen.

Maschinenbau-Ingenieur Chuan-Hua Chen an der Duke University in Durham, NC, und seine Kollegen wurden eine Reihe von natürlichen und künstlichen extrem hydrophoben Oberflächen untersucht, als sie bemerkten, dass Wassertropfen manchmal schnell verschwunden. Sie waren verblüfft und verwirrt über dieses Verhalten für Jahre, bis sie aus einem anderen Blickwinkel Beobachtungen – früher eine High-Speed-Video-Kamera, um die Tröpfchen von der Seite dieser Materialien statt von oben zu sehen.

"Das ist, wenn wir sahen sie springen nach oben," Chen erinnert.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass wenn diese Flächen Wasserdampf ausgesetzt sind, Tau auf sie kondensieren kann. Beim Anbau von Tröpfchen miteinander verschmolzen, sprang der zusammengeführte Tropfen dann der super-water-Repellent Oberflächen. Diese Tropfen, jeweils bis zu ein paar μm bis ein paar hundert Mikrometer breit, können bis zu ein paar Millimeter in die Luft springen.

"Wir haben inzwischen festgestellt, dies geschieht in fast allen normalen Super-hydrophobe Oberflächen," Chen sagte. "Wenn Sie ein Lotusblatt oder eines der vielen anderen super-water-Repellent Oberflächen draußen und Sie abkühlen lassen, in den Gefrierschrank und dann nehmen Sie es heraus, da es Feuchtigkeit in der Luft kondensiert, mit bloßen Augen sehen Sie, dass Wassertropfen in die Luft springen."

Beim Kombinieren von kleinen Wassertropfen auf super-water-repellent Oberflächen eine einzigen größeren drop Ergebnisse, die weniger Fläche als die Originalteile. Als solche erklärte Energie, die nicht mehr benötigt wird, zu glätten, die über die Oberfläche der kleineren Tröpfchen einst Wasser freigegeben wird, tauchen die Tropfen nach oben, Chen.

"Diese Ergebnisse zeigen, dass Super-hydrophobe Oberflächen nicht brauchen Wasser Verunreinigungen nehmen durch die Schwerkraft angetrieben – springen Tröpfchen kann dies tun," Chen sagte.

"Dies ist ein großes Stück Arbeit, die einen Mechanismus hervorhebt, die bei konventionell nicht berücksichtigt hat selbstreinigend," sagte Maschinenbauingenieur Evelyn Wang am Massachusetts Institute of Technology, die nicht an dieser Studie teilgenommen habe.

Chen und seine Kollegen fanden, dass springen Tröpfchen Glas, Kunststoff oder Pollen Teilchen entfernen könnte bis 100 µm Breite von Zikade Flügeln, einschließlich der Verunreinigungen, die nicht vom Flügel Vibrationen oder Windströmung entfernt werden können.

"Vor allem Zikaden hängen senkrecht auf Bäumen, d. h. Sobald Kondensate springen, entweder Schwerkraft oder die Luft wird sie mitnehmen", sagte Chen. "Im schlimmsten Fall wird der Flügel parallel zum Boden gehalten, aber selbst dann die Tröpfchen nicht gerade nach oben springen, aber immer einige horizontale Dynamik. Nachdem sie nach unten fallen, springen sie zurück wieder und nach ein paar Sprüngen, die sie weg von der Kante des Flügels zu springen."

Diese Erkenntnisse nicht nur helfen, erklären das Geheimnis der Zikade Flügel wie sauber zu halten, sondern könnte auch zu verbesserten künstlichen selbstreinigende Materialien. Springen Tröpfchen auch helfen könnte Wärme aus Kraftwerken zu entfernen, sagt Chen.

"Ich denke diese Arbeit ist sehr spannend und zeigt die vielfältigen Möglichkeiten und Anwendungen mit dem springenden Droplet-Mechanismus", sagte Wang.

Chen und seine Kollegen detailliert ihre Ergebnisse online-29 April in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences.

Anmerkung des Herausgebers: diese Geschichte mit einem richtigen Bild von einer Zikade aktualisiert wurde.

Charles Q. Choi ist ein freier Wissenschaftsjournalist mit Sitz in New York City, der für die New York Times, Scientific American, Wired, Wissenschaft, Natur und viele andere Nachrichtenagenturen geschrieben hat.

In Science News Service wird unterstützt durch das American Institute of Physics.