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企鹅身体表面为什么不易结冰?

企鹅生活在世界上最寒冷的地方,然而它们身上却极少结冰,这究竟是为什么?一项新的研究表明,企鹅羽毛中的微观结构起了关键的作用。

一般认为,物体的表面要想不容易结冰,首先它对水应该有足够的排斥作用,即通常所说的疏水表面。疏水表面的形成首先要求构成表面的物质本身对水有较强的排斥作用,其次表面上微观结构的存在可以进一步增强这种排斥作用,即形成超疏水表面,一个典型的例子就是荷叶。然而近年的研究表明,要想有效防止冰在表面的聚集,表面与冰之间的粘附力还不能太强,因此不是所有的疏水表面都能有效避免结冰的发生。

来自我国的研究人员分析了生活在南美的洪氏环企鹅(Humboldt penguin,又译汉波德企鹅)的羽毛的结构。观察表明,这种企鹅羽毛的羽小支上密布着许多直径约3微米,间距约20微米的钩状结构,而且羽小支以及这些钩状结构的表面也并非平滑,而是布满深度约100纳米的沟槽。测试发现,这种羽毛的表面不仅对水有着很好的排斥作用,而且与冰之间的粘附作用也比较弱,因此可以让企鹅的身体表面不易结冰。

受到企鹅羽毛微观结构的启发,研究人员将聚酰亚胺的纳米纤维通过电纺的方法制成薄膜。实验结果表明,通过控制相邻纤维之间的距离,这种薄膜可以有效防止冰在表面的聚集,今后或许可以应用于需要防止结冰的场合。

这项研究在线发表在美国化学会旗下的学术刊物《物理化学杂志·C辑》(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.5b12298).


(作者:魏昕宇)

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