2024年2月15日发(作者：谷梁卓君)
蝴蝶翅鳞片粗糙表面的微观/超微结构及各向异性1
房岩1,2，孙刚2，丛茜1∗
1吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室，长春（130022）
2长春师范学院生命科学学院，长春（130032）
E-mail：congqian@
摘 要：对我国东北地区常见的11属14种蝴蝶翅鳞片粗糙表面的微观/超微结构进行了电镜扫描观察，使用视频光学接触角测量仪、采用先斜后滴法和先滴后斜法测量了鳞片表面的水滴滚动角。根据鳞片的微观结构，可将鳞片分为窄叶形、阔叶形和圆叶形3种。根据鳞片的超微结构，可将鳞片分为拱桥形、棋盘形、单列筛孔形、多列筛孔形和双列筛孔形5种。蝴蝶翅鳞片如覆瓦状相互重叠排列。在亚微米级和纳米级尺度上，均可以看出鳞片微观和超微结构具有各向异性。两种方法测得的水滴滚动角也表明翅表面的自清洁性具有各向异性。通过对去鳞片翅表面水滴滚动角的测量结果，证明了鳞片在蝴蝶翅表面的自清洁性中起到重要作用。
关键词：蝴蝶；鳞片；粗糙表面；超微结构；各向异性；仿生工程
中图分类号：Q964；Q969.439.2
1 引言
自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉。许多生物在长期进化和自然选择过程中逐渐形成了各种粗糙体表结构，以适应其生存环境。当污染物落到体表时，它们能够进行自我清洁，而清洗同等面积的人工表面却要花费几倍的努力[1，2]。自清洁性能在防雪、防水、防雾、防污染、抗氧化等工农业生产和人们的日常生活以及航天器、潜艇、雷达通讯等领域都有着极其广阔的应用前景。昆虫体表具有较强的超疏水性和自清洁性已成为仿生工程学的研究热点之一。Wagner等选取了97种昆虫，对昆虫翅上的微观结构和润湿性以及它们在受污染时的变化进行了研究[3]。丛茜等在土壤昆虫体表减粘脱附的仿生学机理及粗糙表面的仿生设计领域，做了较为深入的研究[4，5]。作者曾对蝴蝶翅表面粗糙形态疏水机理进行了研究[6–8]。但目前对蝴蝶翅表面鳞片的粗糙单元体形状、单元分布密度、粗糙尺寸等特征量与接触角的关系等报道较少，关于蝴蝶鳞片表面纳米结构对其浸润性质的影响规律及机制的研究仍非常有限。为了深入探索蝴蝶体表超疏水粗糙形态的结构基础和自清洁机理，我们对11属14种蝴蝶成虫翅鳞片进行了形态学微观/超微结构及各向异性的定性定量研究，旨在探讨纳米结构对浸润性质的作用机制，为仿生工程设计和超疏水纳米界面材料的制备提供理论和实验依据。
2 材料与方法
2.1 实验材料
蝴蝶标本于2005年6–8月采自长春市（南湖公园、动植物公园、净月潭国家森林公园）、吉林市（左家特区）和大连市（旅顺口区），隶属蛱蝶科11 属14种。标本鉴定由昆虫分类学家帮助完成，采用系统分类法进行分类鉴定[9
1本课题得到高等学校博士学科点基金（项目批准号：2）、教育部留学回国人员启动基金的资助
∗ 责任作者
- 1 -
，10]
2.2 实验仪器和测量方法
取展翅后的蝴蝶标本每种各10头，测量翅的大小，剪取中室部位，按照正面和背面分别剪成5 mm×5 mm，用双面胶粘在扫描电镜样品台上，样品离子溅射镀膜喷金处理使用中国科学院北京仪器研制中心（KYKY）研制的SBC-12型小型离子溅射仪，金粉的厚度约为20 nm。在日本HITACHI公司生产的S-570型扫描电子显微镜（SEM）下观察拍照。
使用视频光学接触角测量仪（OCA20型，德国Dataphysics公司），采用座滴法（sessile
drop）测量蝴蝶翅表面各样品中室处的滚动角。温度控制在25 ℃。滚动角测量方法为：第一种方法（先滴后斜法）首先将可倾斜样本台调整到水平位置，将水滴滴到样本表面上，然后增加样本台的角度，每次增加1°，直到水滴自由滑落，此时样本台的角度即为蝴蝶翅表面在该方向的滚动角。第二种方法（先斜后滴法）是将样本台倾斜至1°，将水滴滴到样本表面上，如果水滴自由滑落，则1°即为此时的滚动角；如果水滴滞留，则去除水滴，继续增加样本台角度后（每次增加1°），再次将水滴滴到样本表面上，直至水滴能够自由滑落为止，此时样本台的角度即为蝴蝶翅表面在该方向的滚动角。水滴大小为5 µl，进样器与蝴蝶样本间的距离为3 cm，每种样本测量5次，取其平均值。
3 结果与分析
3.1 蝴蝶翅鳞片的微观/超微结构
3.1.1 蝴蝶翅鳞片的微观结构
蝴蝶翅表面被有鳞片及少量鳞毛。蝴蝶翅上的鳞片形态因种类的不同而有所差异，蝴蝶翅鳞片的长度在65–125 µm，宽度在35–65 µm，间距在54–91 µm（表1）。14种蝴蝶翅鳞片外形可分为3种，即窄叶形、阔叶形、圆叶形。鳞片的游离端均为锯齿形（图1）。
表1 蝴蝶鳞片的微观尺寸及水滴在鳞片表面的滚动角
Table 1 The micro-size of butterfly scale and the sliding angles of water droplets on scale surface
种
长
绿豹蛱蝶Argynnis paphia
红线蛱蝶Limenitis populi
老豹蛱蝶Argyronome laodice
曲纹银豹蛱蝶Childrena zenobia
银斑豹蛱蝶Speyeria aglaja
伊诺小豹蛱蝶Brenthis ino
云豹蛱蝶Nephargynnis anadyomene
小红蛱蝶Vanessa cardui
福蛱蝶Fabriciana niobe
青豹蛱蝶Damora sagana
黄钩蛱蝶Polygonia c-aureum
伊络环蛱蝶Neptis ilos
单环蛱蝶 N．rivularis
朝鲜环蛱蝶N．philyroides
鳞片微观尺寸(µm)
鳞片
宽 间距间距70 35 54 2.2790 50 76 1.4985 55 77 1.6390 45 60 1.0670 60 77 1.1765 60 79 1.83125 65 78 1.6295 65 91 1.8075 55 74 1.2495 55 80 1.58115 65 84 1.57100 60 76 1.6070 35 56 2.1070 40 56 1.16纵肋
高0.340.200.400.250.280.450.420.310.340.390.540.480.400.35宽
0.370.300.270.200.350.410.250.570.210.340.350.260.550.44正向逆向水滴的滚动角(°)
先滴后斜法
侧向
先斜后滴法
正向 逆向侧向15 38 40 2 7 4
7 60 26 1 5 3
12 43 55 2 9 4
9 24 17 1 6 3
12 48 34 2 14 8
23 44 25 3 9 7
9 40 33 1 9 6
6 19 9 2 6 4
8 10 20 3 8 4
7 28 27 2 7 4
14 40 38 1 4 3
13 36 31 2 7 4
14 20 37 2 7 3
17 55 30 3 9 7
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图1 蝴蝶鳞片的微观形态（a-窄叶形；b-阔叶形；c-圆叶形）
Fig. 1 Micro-forms of butterfly scales (a-angustifoliate shape; b-latifoliate shape; c-round-leaved shape)
鳞片基部具排列均匀的小柄，镶嵌在翅膜的基环即鳞片囊（槽）内（图2）。蝴蝶翅上的翅脉排列方向与躯体方向垂直，与翅长轴平行，由于翅室的机械强度不高，翅脉起到加固翅的作用。
图2 无鳞片小红蛱蝶翅表面（示鳞片囊）
Fig. 2 Wing surface of Vanessa cardui without scale (showing scale vesicle)
3.1.2 蝴蝶翅鳞片的超微结构
鳞片具有许多平行排列的纵肋，个别纵肋分叉，但是整体上可以看作是很多平行脊线与横线的交叉。鳞片的外表面由一种类似骨架的柱状结构构建在一起，蝴蝶翅鳞片上纵肋的间距为1.06–2.27 µm，高度为200–540 nm，纵肋宽为200–570 nm（表1）。纵肋间有交织的加固横梁呈拱桥形规则排列，纵肋和横梁之间有很多大小不等、形状不规则的贯穿孔，这些贯穿孔排成纵列。依据鳞片的超微形态，可将14种蛱蝶分为5个类型，即拱桥形、棋盘形、单列筛孔形、多列筛孔形和双列筛孔形（图3）。
图3 蝴蝶鳞片的超微形态（a-拱桥形；b-棋盘形；c-单列筛孔形；d-双列筛孔形；e-多列筛孔形）
Fig. 3 Ultra-forms of butterfly scales (a-arch bridge shape; b-chessboard shape; c-single array sieve pore shape;
d-double array sieve pore shape; e-multi array sieve pore shape)
- 3 -
3.2 蝴蝶翅鳞片的各向异性
3.2.1 鳞片粗糙表面微/纳米结构的各向异性
。在亚微蝴蝶翅鳞片如覆瓦状相互重叠排列（图4a），密度为101–280个/mm2（图4b）米级纵肋上，具有横向连接（图4c）；在纵肋和横向连接上，还有许多纳米级突起（图4d）。在微米级和纳米级尺度上，均可以看出鳞片微观和超微结构具有各向异性。
图4 蝴蝶翅鳞片扫描电子显微镜照片（示各向异性）
Fig. 4 SEM images of the butterfly wing scale (showing anisotropism)
3.2.2 鳞片粗糙表面水滴滚动角的各向异性
对于先斜后滴法，14种蝴蝶均为正向滚动角<侧向滚动角<逆向滚动角；对于先滴后斜法，14种蝴蝶均为正向滚动角<逆向滚动角、正向滚动角<侧向滚动角，但逆向滚动角和侧向滚动角之间并没有明显的规律（表1）。两种方法的滚动角测量结果均表明蝴蝶翅表面的自清洁性具有各向异性。
对于同一种蝴蝶，在相同的测量位置和相同的方向上，由先斜后滴法测得的滚动角数值明显小于由先滴后斜法测得的滚动角数值。通过先滴后斜法得到的正向滚动角为6–23°，逆向滚动角为10–60°，侧向滚动角为9–55°；通过先斜后滴法得到的正向滚动角为1–3°，逆向滚动角为4–14°，侧向滚动角为3–8°（表1）。两种实验方法得到的滚动角数值的差异可能与鳞片粗糙表面水滴的初始状态、水滴从一定高度落到粗糙表面时的动量以及水滴在粗糙表面的滞留时间等因素有关。
对去鳞片翅表面的滚动角进行测量发现，无论是先斜后滴法还是先滴后斜法，其正向、逆向、侧向滚动角均>65°（样本台的最大倾斜角度为65°），可见鳞片在蝴蝶翅表面的自清洁性中起到重要作用。
4 结论与讨论
（1）蝴蝶翅上的鳞片微观形态因种类的不同而有所差异。根据鳞片的微观结构，可将鳞片分为窄叶形、阔叶形和圆叶形3种。鳞片具有许多平行排列的纳米级纵肋，纵肋间有规则排列的拱桥形横梁。根据鳞片的超微结构，可将鳞片分为拱桥形、棋盘形、单列筛孔形、多列筛孔形和双列筛孔形5种。
（2）蝴蝶翅鳞片如覆瓦状相互重叠排列。在微米级和纳米级尺度上，均可以看出鳞片微观和超微结构具有各向异性。通过先斜后滴法和先滴后斜法测量鳞片粗糙表面的水滴滚动角，结果表明蝴蝶翅表面的自清洁性具有各向异性。
（3）通过对去鳞片翅表面的水滴滚动角的测量结果，证明了鳞片在蝴蝶翅表面的自清洁性中起到重要作用。
（4）通过不同测量方法对水滴滚动角的测定结果差异很大，其机理有待于进一步研究。蝴- 4 -
蝶翅鳞片粗糙表面微观/超微结构、各向异性及其机理的揭示，将为仿生工程设计和新型材料制备提供理论和实验依据。
参考文献
[1] 江雷．从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J]．化工进展，2003，22(12)：1258-1264．
[2] Aurelie L，David Q．Super-hydrophobic states [J]．Nature Material，2003，2：456-460．
[3] Wagner T，Neinhuis C，Barthlott W．Wettability and contaminability of insect wings as a function of their
surface sculptures [J]．Acta Zoologica (Stockholm)，1996，77(3)：213-225．
[4] 丛茜，王连成，任露泉，王志中，李安琪．鳞片形粗糙表面的仿生设计[J]．吉林工业大学学报，1998，28(2)：12-17．
[5] 丛茜，任露泉，陈秉聪．土壤粘附机理的化学吸附分析[J]．农业工程学报，1996，2(12)：40-44．
[6] Cong Q，Chen G H，Fang Y，Ren L Q．Study on the super-hydrophobic characteristic of butterfly wing
surface [J]．Journal of Bionics Engineering，2004，1(4)：249-255．
[7] 房岩，孙刚，丛茜．蝴蝶翅表面粗糙鳞片对润湿性的影响[J]．吉林大学学报(工学版)，2007，37(3)：582-586．
[8] Fang Y，SUN G，Wang T Q，Cong Q，Ren L Q．Hydrophobicity mechanism of non-smooth pattern on surface
of butterfly wing [J]．Chin. Sci. Bull.，2007，52：711-716．
[9] 周繇，朱俊义．中国长白山蝶类彩色图志．吉林教育出版社，长春．2003，15-78．
[10] 周尧．中国蝴蝶分类与鉴定．河南科学技术出版社，郑州．1998，52-144．
Micro/Ultra-structure and Anisotropism of the Rough
Surface on Butterfly Wing Scale
Fang Yan1, 2，Sun Gang2，Cong Qian1
1. Key Laboratory for Terrain-Machine Bionics Engineering of Ministry of Education，Jilin
University，Changchun (130022)
2. School of Life Science，Changchun Teachers College，Changchun (130032)
Abstract
11 genus 14 species butterfly, which are common in northeast China, were collected to observe and
determine the micro/ultra-structure on the rough surface of wing scale by means of scanning electron
microscopy (SEM). Two methods, first-incline-then-drip method (FITD method) and
first-drip-then-incline method (FDTI method), were adopted to measure the sliding angle (SA) of water
droplet on wing surface by an optical contact angle measuring system. Based on the microstructure of
scale, there are three sorts of scales, including angustifoliate shape; latifoliate shape; and round-leaved
shape. Based on the ultrastructure of scale, there are five sorts of scales, including arch bridge shape,
chessboard shape, single array sieve pore shape, double array sieve pore shape, and multi array sieve
pore shape. The scales arrange like overlapping roof tiles. Anisotropism of the micro/ultra-structure of
wing scale can be seen on both submicro-scale and nano-scale. The anisotropism of self-cleaning on
wing surface can also be showed by the water droplet sliding angle (SA) values determined by the
above two methods. The crucial role of scale in determining the self-cleaning effect on butterfly wing
surface is proved by the water SAs on butterfly wing surface without scale.
Keywords：butterfly，scale，rough surface，ultrastructure，anisotropism，bionic engineering
- 5 -
作者简介：
房岩，1965年1月生，女，吉林长春人，在读博士研究生，教授，主要从事仿生工程研究。主持吉林省教育厅重点科研项目、吉林省粮食集团科研项目等4项课题。公开发表学术论文30余篇，4篇被SCI、EI收录；
丛茜，通讯联系人，1963年9月生，女，吉林长春人，教授，博士生导师，吉林大学生物与农业工程学院仿生与动力工程系主任。1992年5月毕业于吉林工业大学，获工学博士学位。是吉林省第五批有突出贡献的中青年专业技术人才，获吉林省第五届青年科技奖。主要研究方向为生物仿生工程与技术。主持和主要参加吉林省科技发展计划重点项目（高技术）“仿生非光滑技术在内燃机运动副表面的应用研究”、高等学校博士学科点基金项目“生物非光滑表面的疏水机理及其仿生研究”、教育部优秀青年教师资助计划项目“冻粘机理及减粘脱附的仿生研究”、国家科技成果重点推广计划项目“高效节能仿生联合耕种机具”等国家和省部级科研课题30余项。获国家发明专利2项，在国内外著名刊物和大型国际会议上公开发表学术论文70余篇。作为主要获奖者获国家技术发明二等奖一项，国家教委科技进步一等奖、二等奖各一项，机械部科技进步二等奖三项、三等奖一项，吉林省科技进步一等奖、二等奖各一，吉林省教学成果一等奖一项，国家级教学成果二等奖一项。
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2024年2月15日发(作者：谷梁卓君)
蝴蝶翅鳞片粗糙表面的微观/超微结构及各向异性1
房岩1,2，孙刚2，丛茜1∗
1吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室，长春（130022）
2长春师范学院生命科学学院，长春（130032）
E-mail：congqian@
摘 要：对我国东北地区常见的11属14种蝴蝶翅鳞片粗糙表面的微观/超微结构进行了电镜扫描观察，使用视频光学接触角测量仪、采用先斜后滴法和先滴后斜法测量了鳞片表面的水滴滚动角。根据鳞片的微观结构，可将鳞片分为窄叶形、阔叶形和圆叶形3种。根据鳞片的超微结构，可将鳞片分为拱桥形、棋盘形、单列筛孔形、多列筛孔形和双列筛孔形5种。蝴蝶翅鳞片如覆瓦状相互重叠排列。在亚微米级和纳米级尺度上，均可以看出鳞片微观和超微结构具有各向异性。两种方法测得的水滴滚动角也表明翅表面的自清洁性具有各向异性。通过对去鳞片翅表面水滴滚动角的测量结果，证明了鳞片在蝴蝶翅表面的自清洁性中起到重要作用。
关键词：蝴蝶；鳞片；粗糙表面；超微结构；各向异性；仿生工程
中图分类号：Q964；Q969.439.2
1 引言
自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉。许多生物在长期进化和自然选择过程中逐渐形成了各种粗糙体表结构，以适应其生存环境。当污染物落到体表时，它们能够进行自我清洁，而清洗同等面积的人工表面却要花费几倍的努力[1，2]。自清洁性能在防雪、防水、防雾、防污染、抗氧化等工农业生产和人们的日常生活以及航天器、潜艇、雷达通讯等领域都有着极其广阔的应用前景。昆虫体表具有较强的超疏水性和自清洁性已成为仿生工程学的研究热点之一。Wagner等选取了97种昆虫，对昆虫翅上的微观结构和润湿性以及它们在受污染时的变化进行了研究[3]。丛茜等在土壤昆虫体表减粘脱附的仿生学机理及粗糙表面的仿生设计领域，做了较为深入的研究[4，5]。作者曾对蝴蝶翅表面粗糙形态疏水机理进行了研究[6–8]。但目前对蝴蝶翅表面鳞片的粗糙单元体形状、单元分布密度、粗糙尺寸等特征量与接触角的关系等报道较少，关于蝴蝶鳞片表面纳米结构对其浸润性质的影响规律及机制的研究仍非常有限。为了深入探索蝴蝶体表超疏水粗糙形态的结构基础和自清洁机理，我们对11属14种蝴蝶成虫翅鳞片进行了形态学微观/超微结构及各向异性的定性定量研究，旨在探讨纳米结构对浸润性质的作用机制，为仿生工程设计和超疏水纳米界面材料的制备提供理论和实验依据。
2 材料与方法
2.1 实验材料
蝴蝶标本于2005年6–8月采自长春市（南湖公园、动植物公园、净月潭国家森林公园）、吉林市（左家特区）和大连市（旅顺口区），隶属蛱蝶科11 属14种。标本鉴定由昆虫分类学家帮助完成，采用系统分类法进行分类鉴定[9
1本课题得到高等学校博士学科点基金（项目批准号：2）、教育部留学回国人员启动基金的资助
∗ 责任作者
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，10]
2.2 实验仪器和测量方法
取展翅后的蝴蝶标本每种各10头，测量翅的大小，剪取中室部位，按照正面和背面分别剪成5 mm×5 mm，用双面胶粘在扫描电镜样品台上，样品离子溅射镀膜喷金处理使用中国科学院北京仪器研制中心（KYKY）研制的SBC-12型小型离子溅射仪，金粉的厚度约为20 nm。在日本HITACHI公司生产的S-570型扫描电子显微镜（SEM）下观察拍照。
使用视频光学接触角测量仪（OCA20型，德国Dataphysics公司），采用座滴法（sessile
drop）测量蝴蝶翅表面各样品中室处的滚动角。温度控制在25 ℃。滚动角测量方法为：第一种方法（先滴后斜法）首先将可倾斜样本台调整到水平位置，将水滴滴到样本表面上，然后增加样本台的角度，每次增加1°，直到水滴自由滑落，此时样本台的角度即为蝴蝶翅表面在该方向的滚动角。第二种方法（先斜后滴法）是将样本台倾斜至1°，将水滴滴到样本表面上，如果水滴自由滑落，则1°即为此时的滚动角；如果水滴滞留，则去除水滴，继续增加样本台角度后（每次增加1°），再次将水滴滴到样本表面上，直至水滴能够自由滑落为止，此时样本台的角度即为蝴蝶翅表面在该方向的滚动角。水滴大小为5 µl，进样器与蝴蝶样本间的距离为3 cm，每种样本测量5次，取其平均值。
3 结果与分析
3.1 蝴蝶翅鳞片的微观/超微结构
3.1.1 蝴蝶翅鳞片的微观结构
蝴蝶翅表面被有鳞片及少量鳞毛。蝴蝶翅上的鳞片形态因种类的不同而有所差异，蝴蝶翅鳞片的长度在65–125 µm，宽度在35–65 µm，间距在54–91 µm（表1）。14种蝴蝶翅鳞片外形可分为3种，即窄叶形、阔叶形、圆叶形。鳞片的游离端均为锯齿形（图1）。
表1 蝴蝶鳞片的微观尺寸及水滴在鳞片表面的滚动角
Table 1 The micro-size of butterfly scale and the sliding angles of water droplets on scale surface
种
长
绿豹蛱蝶Argynnis paphia
红线蛱蝶Limenitis populi
老豹蛱蝶Argyronome laodice
曲纹银豹蛱蝶Childrena zenobia
银斑豹蛱蝶Speyeria aglaja
伊诺小豹蛱蝶Brenthis ino
云豹蛱蝶Nephargynnis anadyomene
小红蛱蝶Vanessa cardui
福蛱蝶Fabriciana niobe
青豹蛱蝶Damora sagana
黄钩蛱蝶Polygonia c-aureum
伊络环蛱蝶Neptis ilos
单环蛱蝶 N．rivularis
朝鲜环蛱蝶N．philyroides
鳞片微观尺寸(µm)
鳞片
宽 间距间距70 35 54 2.2790 50 76 1.4985 55 77 1.6390 45 60 1.0670 60 77 1.1765 60 79 1.83125 65 78 1.6295 65 91 1.8075 55 74 1.2495 55 80 1.58115 65 84 1.57100 60 76 1.6070 35 56 2.1070 40 56 1.16纵肋
高0.340.200.400.250.280.450.420.310.340.390.540.480.400.35宽
0.370.300.270.200.350.410.250.570.210.340.350.260.550.44正向逆向水滴的滚动角(°)
先滴后斜法
侧向
先斜后滴法
正向 逆向侧向15 38 40 2 7 4
7 60 26 1 5 3
12 43 55 2 9 4
9 24 17 1 6 3
12 48 34 2 14 8
23 44 25 3 9 7
9 40 33 1 9 6
6 19 9 2 6 4
8 10 20 3 8 4
7 28 27 2 7 4
14 40 38 1 4 3
13 36 31 2 7 4
14 20 37 2 7 3
17 55 30 3 9 7
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图1 蝴蝶鳞片的微观形态（a-窄叶形；b-阔叶形；c-圆叶形）
Fig. 1 Micro-forms of butterfly scales (a-angustifoliate shape; b-latifoliate shape; c-round-leaved shape)
鳞片基部具排列均匀的小柄，镶嵌在翅膜的基环即鳞片囊（槽）内（图2）。蝴蝶翅上的翅脉排列方向与躯体方向垂直，与翅长轴平行，由于翅室的机械强度不高，翅脉起到加固翅的作用。
图2 无鳞片小红蛱蝶翅表面（示鳞片囊）
Fig. 2 Wing surface of Vanessa cardui without scale (showing scale vesicle)
3.1.2 蝴蝶翅鳞片的超微结构
鳞片具有许多平行排列的纵肋，个别纵肋分叉，但是整体上可以看作是很多平行脊线与横线的交叉。鳞片的外表面由一种类似骨架的柱状结构构建在一起，蝴蝶翅鳞片上纵肋的间距为1.06–2.27 µm，高度为200–540 nm，纵肋宽为200–570 nm（表1）。纵肋间有交织的加固横梁呈拱桥形规则排列，纵肋和横梁之间有很多大小不等、形状不规则的贯穿孔，这些贯穿孔排成纵列。依据鳞片的超微形态，可将14种蛱蝶分为5个类型，即拱桥形、棋盘形、单列筛孔形、多列筛孔形和双列筛孔形（图3）。
图3 蝴蝶鳞片的超微形态（a-拱桥形；b-棋盘形；c-单列筛孔形；d-双列筛孔形；e-多列筛孔形）
Fig. 3 Ultra-forms of butterfly scales (a-arch bridge shape; b-chessboard shape; c-single array sieve pore shape;
d-double array sieve pore shape; e-multi array sieve pore shape)
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3.2 蝴蝶翅鳞片的各向异性
3.2.1 鳞片粗糙表面微/纳米结构的各向异性
。在亚微蝴蝶翅鳞片如覆瓦状相互重叠排列（图4a），密度为101–280个/mm2（图4b）米级纵肋上，具有横向连接（图4c）；在纵肋和横向连接上，还有许多纳米级突起（图4d）。在微米级和纳米级尺度上，均可以看出鳞片微观和超微结构具有各向异性。
图4 蝴蝶翅鳞片扫描电子显微镜照片（示各向异性）
Fig. 4 SEM images of the butterfly wing scale (showing anisotropism)
3.2.2 鳞片粗糙表面水滴滚动角的各向异性
对于先斜后滴法，14种蝴蝶均为正向滚动角<侧向滚动角<逆向滚动角；对于先滴后斜法，14种蝴蝶均为正向滚动角<逆向滚动角、正向滚动角<侧向滚动角，但逆向滚动角和侧向滚动角之间并没有明显的规律（表1）。两种方法的滚动角测量结果均表明蝴蝶翅表面的自清洁性具有各向异性。
对于同一种蝴蝶，在相同的测量位置和相同的方向上，由先斜后滴法测得的滚动角数值明显小于由先滴后斜法测得的滚动角数值。通过先滴后斜法得到的正向滚动角为6–23°，逆向滚动角为10–60°，侧向滚动角为9–55°；通过先斜后滴法得到的正向滚动角为1–3°，逆向滚动角为4–14°，侧向滚动角为3–8°（表1）。两种实验方法得到的滚动角数值的差异可能与鳞片粗糙表面水滴的初始状态、水滴从一定高度落到粗糙表面时的动量以及水滴在粗糙表面的滞留时间等因素有关。
对去鳞片翅表面的滚动角进行测量发现，无论是先斜后滴法还是先滴后斜法，其正向、逆向、侧向滚动角均>65°（样本台的最大倾斜角度为65°），可见鳞片在蝴蝶翅表面的自清洁性中起到重要作用。
4 结论与讨论
（1）蝴蝶翅上的鳞片微观形态因种类的不同而有所差异。根据鳞片的微观结构，可将鳞片分为窄叶形、阔叶形和圆叶形3种。鳞片具有许多平行排列的纳米级纵肋，纵肋间有规则排列的拱桥形横梁。根据鳞片的超微结构，可将鳞片分为拱桥形、棋盘形、单列筛孔形、多列筛孔形和双列筛孔形5种。
（2）蝴蝶翅鳞片如覆瓦状相互重叠排列。在微米级和纳米级尺度上，均可以看出鳞片微观和超微结构具有各向异性。通过先斜后滴法和先滴后斜法测量鳞片粗糙表面的水滴滚动角，结果表明蝴蝶翅表面的自清洁性具有各向异性。
（3）通过对去鳞片翅表面的水滴滚动角的测量结果，证明了鳞片在蝴蝶翅表面的自清洁性中起到重要作用。
（4）通过不同测量方法对水滴滚动角的测定结果差异很大，其机理有待于进一步研究。蝴- 4 -
蝶翅鳞片粗糙表面微观/超微结构、各向异性及其机理的揭示，将为仿生工程设计和新型材料制备提供理论和实验依据。
参考文献
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Micro/Ultra-structure and Anisotropism of the Rough
Surface on Butterfly Wing Scale
Fang Yan1, 2，Sun Gang2，Cong Qian1
1. Key Laboratory for Terrain-Machine Bionics Engineering of Ministry of Education，Jilin
University，Changchun (130022)
2. School of Life Science，Changchun Teachers College，Changchun (130032)
Abstract
11 genus 14 species butterfly, which are common in northeast China, were collected to observe and
determine the micro/ultra-structure on the rough surface of wing scale by means of scanning electron
microscopy (SEM). Two methods, first-incline-then-drip method (FITD method) and
first-drip-then-incline method (FDTI method), were adopted to measure the sliding angle (SA) of water
droplet on wing surface by an optical contact angle measuring system. Based on the microstructure of
scale, there are three sorts of scales, including angustifoliate shape; latifoliate shape; and round-leaved
shape. Based on the ultrastructure of scale, there are five sorts of scales, including arch bridge shape,
chessboard shape, single array sieve pore shape, double array sieve pore shape, and multi array sieve
pore shape. The scales arrange like overlapping roof tiles. Anisotropism of the micro/ultra-structure of
wing scale can be seen on both submicro-scale and nano-scale. The anisotropism of self-cleaning on
wing surface can also be showed by the water droplet sliding angle (SA) values determined by the
above two methods. The crucial role of scale in determining the self-cleaning effect on butterfly wing
surface is proved by the water SAs on butterfly wing surface without scale.
Keywords：butterfly，scale，rough surface，ultrastructure，anisotropism，bionic engineering
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作者简介：
房岩，1965年1月生，女，吉林长春人，在读博士研究生，教授，主要从事仿生工程研究。主持吉林省教育厅重点科研项目、吉林省粮食集团科研项目等4项课题。公开发表学术论文30余篇，4篇被SCI、EI收录；
丛茜，通讯联系人，1963年9月生，女，吉林长春人，教授，博士生导师，吉林大学生物与农业工程学院仿生与动力工程系主任。1992年5月毕业于吉林工业大学，获工学博士学位。是吉林省第五批有突出贡献的中青年专业技术人才，获吉林省第五届青年科技奖。主要研究方向为生物仿生工程与技术。主持和主要参加吉林省科技发展计划重点项目（高技术）“仿生非光滑技术在内燃机运动副表面的应用研究”、高等学校博士学科点基金项目“生物非光滑表面的疏水机理及其仿生研究”、教育部优秀青年教师资助计划项目“冻粘机理及减粘脱附的仿生研究”、国家科技成果重点推广计划项目“高效节能仿生联合耕种机具”等国家和省部级科研课题30余项。获国家发明专利2项，在国内外著名刊物和大型国际会议上公开发表学术论文70余篇。作为主要获奖者获国家技术发明二等奖一项，国家教委科技进步一等奖、二等奖各一项，机械部科技进步二等奖三项、三等奖一项，吉林省科技进步一等奖、二等奖各一，吉林省教学成果一等奖一项，国家级教学成果二等奖一项。
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