共聚焦显微技术 | 关于蔡司显微镜-生活中的仿生学

Release time: 2024-04-16


仿生学是指借鉴生物界中自然界已有的形态、结构、功能、行为和信息处理方式,将其应用于工程技术领域中的学科。

跳伞用的降落伞、木工用的锯子……都是人们根据大自然带来的灵感而发明的工具。在仿生技术中,微观尺度的仿生也是一个重要的研究方向,被广泛应用于纳米材料、纳米器件和生物传感器等领域。今天小编带领大家一起来看一下生活中常见的仿生案例。

1  莲叶效应

清晨的荷叶上总是布满了晶莹剔透的水珠,一阵风吹过,就像断了线的珍珠一样滚落,得益于荷叶表面的疏水性。

它是由于其表面有微米级别的小结构,呈现出一定的凹凸形状,使得水滴接触面积减小,水滴在表面的附着力减小,接触角增大,这种小结构使得水滴无法在表面上停留并快速滑落,这种现象被称为“莲叶效应”。借助于蔡司激光共聚焦显微镜LSM 900MAT,这些微小突起的3D结构清晰可见。

▲ 荷叶表面结构伪色视图

▲ 荷叶表面结构三维视图

▲ 荷叶表面颗粒的高度测量

▲ 荷叶表面颗粒的宽度测量

生活中常见的疏水材料荷叶精也是基于同样“莲叶效应”。荷叶精里所用到的碳氟材料是一种纳米级别的材料,通常由二氧化硅和碳氟化合物(例如氟化亚铁、氟化铝、氟化锌等)组成。这些碳氟化合物会在材料表面形成非常紧密的排列结构,形成类似于植物叶子表面的微观结构,从而使得表面能够表现出极强的疏水性。当水分子接触到这种表面时,由于表面能够迅速形成一个水滴,使得水滴的表面积非常小,从而使得表面能够抵御水分子的附着。

▲ 荷叶精表面结构伪色视图

▲ 荷叶精表面结构三维视图

▲ 喷涂荷叶精之前

▲ 喷涂荷叶精之后

2  魔术扣

衣物的表面通常具有环状的纤维,苍耳通过其表面细小的倒钩能够轻易的勾住衣物。同时,苍耳的钩有着一定的弹性,在被拉伸后能够恢复成倒钩的形状,这也是苍耳能够反复粘在衣物的原因。

▲ 苍耳挂在人的衣物上

生活中常用到的尼龙搭扣就是基于此而设计的。尼龙搭扣由两面组成,一面附有环状结构,另一面则由许多倒钩组成,当两者相接触,钩与环相结合形成紧密的状态。

通过蔡司数码显微镜Smartzoom 5我们可以清晰的看到尼龙搭扣上的倒钩结构。在观察时,通过倾斜镜筒,可以从侧面更清晰的看到这些倒钩。

3  Sharklet抗菌结构

人们通过对比海洋生物的体表发现,鲨鱼相较于其他海洋生物,其体表几乎没有藤壶或其他浮游生物。经研究发现,由于鲨鱼皮肤表面存在着微型的褶皱,这种褶皱不仅可以抑制细菌的坟贴,同时可以有效减少微生物与细菌的接触面积,让它们附着不稳,更容易被海水冲刷掉。

基于此,科学家们利用类似鲨鱼皮的结构研发出了Sharklet抗菌防污技术。通过模仿鲨鱼皮表面的褶皱结构等,Sharklet结构能够实现抑制细菌生长,减少细菌附着等效果。借助于蔡司激光共聚焦显微镜LSM 900MAT,可以清晰的看到Sharklet结构的三维形貌,同时对于结构的宽度与高度也可轻松的进行表征。

▲ 灰度纹理图

▲ 俯视三维图

▲ 前视三维图

▲ 宽度自动测量统计

▲ 高度自动测量统计

随着科学技术的进一步发展,我们也会有越来越多的手段来揭示自然界中的奥秘。

参考文献

Hsiu-Wen Chien. et al. Inhibition of Biofilm Formation by Rough Shark Skin-patterned Surfaces. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces: 186 (2020) 110738. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2019.110738

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