此故事最初由内部科学新闻社发布。
今年春天，当17年蝉在美国东北部各地从地下钻出来时，它们将重新回到一个对它们有更多了解的世界。研究人员现在发现，它们的翅膀的设计可以借助露水，使污垢直接跳落下来，这一发现可能有助于开发更好的自清洁人工材料。
科学家们已经知道蝉翼是超疏水的。这与许多简单的疏水物质不同，例如，油和水是出了名的不相容。但是，像荷叶这样的许多表面可以通过覆盖微小的凸起使自身更加疏水，因此水滴可以像神秘主义者躺在钉床上一样漂浮在表面之上。例如，蝉翼上覆盖着约200纳米或十亿分之一米高的蜡状锥体。相比之下，普通人的头发大约为100微米或百万分之一米宽。
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下雨时，蝉翼的超疏水性可以帮助它们清洁自身——滚落或溅落的水滴可以清除土壤、灰尘、花粉和微生物。但是，如果没有雨，尤其是在成年蝉在死亡前必须在地面上生活四到六周的时间里呢？
现在科学家们发现，即使没有雨，蝉翼也可以保持清洁。显然，有了露水，污垢就可以直接从上面跳落下来。
北卡罗来纳州达勒姆杜克大学的机械工程师陈传华和他的同事们在研究许多天然和人工的超疏水表面时，注意到水滴有时会迅速消失。他们对这种行为感到困惑多年，直到他们从不同的角度进行观察——他们使用高速摄像机从这些材料的侧面而不是上方观察水滴。
“那时我们看到它们向上跳跃，”陈回忆说。
科学家们发现，当这些表面暴露在水蒸气中时，露水会凝结在它们上面。当生长中的水滴融合在一起时，合并后的水滴随后会从超疏水表面跳落。这些水滴，每个宽度从几微米到几百微米不等，可以在空中跳跃几毫米。
“我们后来发现这种情况几乎发生在所有普通的超疏水表面上，”陈说。“如果你把一片荷叶或任何其他许多超疏水表面拿出来，放在冰箱里冷却，然后再拿出来，当空气中的湿度凝结在它上面时，你用肉眼就能看到水滴会在空中跳跃。”
当小水滴在超疏水表面上结合时，会形成一个较大的水滴，其表面积小于其原始部分。因此，不再需要用于将水滴压平到较小水滴曾经占据的表面上的能量就会被释放出来，将水滴向上弹起，陈解释说。
“这些发现表明，超疏水表面不需要重力驱动的水来带走污染物——跳跃的水滴也可以做到，”陈说。
“这是一项伟大的工作，它突出了一种传统上不被认为是自清洁的机制，”麻省理工学院的机械工程师伊芙琳·王说，她没有参与这项研究。
陈和他的同事们发现，跳跃的水滴可以从蝉翼上去除宽度达 100 微米的玻璃、塑料或花粉颗粒，包括通过翅膀振动或气流无法去除的污染物。
“蝉大多垂直挂在树上，这意味着一旦凝结物跳起，重力或空气就会将其带走，”陈说。“在最坏的情况下，翅膀是与地面平行的，但即便如此，水滴也不会直线上跳，而是总是有一定的水平动量。当它们落下后，它们会再次跳起来，并且在几次跳跃后，它们会从翅膀的边缘跳开。”
这些发现不仅可以帮助解释蝉翼如何保持清洁的奥秘，还可以导致改进的人工自清洁材料。陈说，跳跃的水滴还可以帮助从发电厂去除热量。“我认为这项工作非常令人兴奋，并展示了跳跃水滴机制的多种可能性和应用，”王说。
陈和他的同事们于4月29日在《美国国家科学院院刊》上在线详细介绍了他们的发现。
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