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创新灵感源自大自然 利用不起眼的植物角质层



受超疏水(Ultra-water-repellent)莲叶的启发,人类已经开发出了外衣、建筑涂料等一系列产品。

受超疏水(Ultra-water-repellent)莲叶的启发,人类已经开发出了外衣、建筑涂料等一系列产品。

(Keystone)

一种常见的植物结构为一项欧盟研究项目提供了灵感,受其启发,人们可能会研发出从驱虫剂到颜色层等一系列新材料。

与娇艳的花朵或可口的水果相比,植物的角质层(cuticle)只是控制植物蜡移动至叶和花瓣表面的分层结构,这听起来很无趣。

但事实上,角质层对于植物的存活至关重要。它掌控着从气体交换到透水性等方方面面,甚至决定了哪些昆虫可以在植物上着陆,进而进行授粉等工作;而哪些昆虫则无法与之亲密接触。

所有这些功能都取决于角质层独特的分层结构,在过去的很多年里,它引起了科学家们的浓厚兴趣。

Nico Brun在弗里堡的阿道夫·默克尔研究所(Adohphe Merkle Institute, AMI外部链接)工作,是一位大分子化学方向的教授。在欧盟委员会(European Commission)的资助下,他正领导一项为期四年的新研究课题,名为PlaMatSu外部链接(受植物启发的材料与表面)。

该项目集合了来自瑞士、德国和英国的学生与有经验的研究人员,研究领域遍布生物、化学和物理。他们的共同兴趣是了解植物的角质层是如何生长发展的,从而创造有用的新材料和新技术。

Brun告诉瑞士资讯swissinfo.ch:“我觉得基于莲叶效应的材料是受植物角质层启发的新材料中最广为人知的例子。”

“莲叶非常疏水,如果你滴一滴水在上面,水滴会很快滚落。基于这个自清洁机理,全世界的研究人员开发出了诸如墙漆或玻璃等新材料。因此,我们决心要看看植物角质层是否还有其他有用的性质。”

虫子快走开

现在PlaMatSu 项目包括开发自润滑合成材料( self-lubricating synthetic materials),这是模仿自然界中植物蜡在植物角质层中的移动方式。

“技术世界里充满了各种各样需要润滑剂的活动零部件——甚至瑞士手表也需要,”Brun笑着表示。

角质层也可用于给东西加上颜色——但可能跟你想的方式不太一样。

这株具有独特暗紫色的郁金香是结构色的一个例子:其颜色来源于植物的角质层,而不是色素。

(Nico Bruns, Adolphe Merkle Institute)

“大多数植物花朵的颜色是来源于它们所含的彩色物质——色素。但是也有一些花朵的颜色来源于其层状表面,这与有些蝴蝶或甲虫类似,”Brun解释道。他表示,这类“结构色”(structural colour)可用于光学领域,或用于开发各种颜色的合成材料。

受角质层启发的研究的另一个应用领域是适用于特定种类昆虫的驱虫剂。这种驱虫剂可以防止一些害虫平稳地落在作物上。

“想想蜜蜂落在花朵上的情形:如果花瓣太滑了,蜜蜂就会滑落,而这对植物而言没什么好处,”Brun说。“因此,你可以发现植物进化出了可以与昆虫互动的表面,而昆虫也逐渐进化,从而适应它们想牢牢抓住的那些表面。”

基于这个概念,AMI研究所PlaMatSu研究组中的物理学家们正在开发一些新的结构,用于形成具有特定图样的粗糙表面。利用这种新结构,他们希望可以控制昆虫的粘附力,或粘性。这项研究的一个潜在应用是一种喷剂,将其喷在树干上,就可以用物理方法防止某些昆虫爬上来。

“逆向生物灵感”

Brun表示,除了新材料和新技术以外,他希望PlaMatSu项目可以激励九位博士生继续探寻受自然和生物启发的创新……还有被他称为“基于逆向生物灵感的研究”(“retro-bio-inspired research”)。

“作为一个科学家,当你有了一个主意,你经常会需要在自然界里寻找类似的东西,这样才能更好地将这个想法解释给你自己研究领域以外的一般观众,因为自然界是所有人都熟悉的,”他解释道。

“然后你会突然间意识到,如果你更仔细地审视这些自然系统,它们会给你的研究带来更多的新主意,尽管你研究项目的灵感一开始并不是来源于生物。”

你认为迄今为止最伟大的发明是什么?欢迎发表言论,请在下方留言。


(翻译:樊桦), 瑞士资讯swissinfo.ch

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