随着气候变暖，开发更好的散热材料已成为一个紧迫的问题，一些科学家正转向大自然寻求灵感。 像昆虫这样的小型生物，由于身体质量小，必须应对它们比大型哺乳动物升温快得多的事实。 例如，当蝴蝶落在树枝上晒太阳时，它们相对较大的翅膀可能会在几秒钟内过热。 因此，它们进化出了复杂的降温方式。 哥伦比亚大学和哈佛大学的研究人员现在揭示了这些色彩鲜艳的昆虫内置的冷却机制。 它们的翅膀有点像纳米级散热器，可以启发新型轻质散热材料的诞生。
研究合著者，哥伦比亚大学傅氏基金工程与应用科学学院应用物理学副教授南方宇解释说，热是分子振动产生的电磁辐射。 材料表面暴露的分子越多，它在称为辐射散热的过程中散发的热量就越多。 因此，根据其结构，某些材料比其他材料散热更快。 例如，由波浪状、褶皱状或圆柱管状的波纹层制成的物体，比实心物体冷却得更快，因为它们具有更大的暴露表面积。 这种观察解释了为什么家用散热器通常被设计成让热量通过许多金属褶皱运行，从而有效地将热量释放到房间中。
事实证明，蝴蝶翅膀的某些部分利用了类似的原理。 翅膀本身是复杂的系统，包含生物和非生物结构，表面覆盖着由几丁质制成的各种类型的鳞片——几丁质是一种坚硬的物质，也存在于一些贝类外骨骼和真菌中。 蝴蝶翅膀的生物部分包括气味垫和释放信息素的斑块，以及用于血淋巴的静脉，血淋巴是节肢动物中的循环液，与血液相当。 非生物结构包括在翅脉之间延伸的几丁质膜。
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研究人员发现，覆盖这些结构的鳞片具有不同的形状，以不同的方式辐射热量。 气味垫鳞片的形状像无数个微小管子，开口朝外，每个直径约为一微米（千分之一毫米）。 这种纳米结构非常有效地散热，保护信息素器官免于过热。 余解释说，由于这些精细的波纹结构比扁平结构暴露更多的表面分子，“从微观上看，您拥有更多的散热器。” 覆盖翅脉的鳞片较厚，但包含许多孔洞，它们也通过这些孔洞有效地散发热量。 覆盖非生物翅膀部分的鳞片不易被热量损坏，因此不具有如此高的“热辐射率”。
为了阐明这些复杂系统的工作原理，该团队麻醉了几种蝴蝶，并使用小画笔去除翅膀鳞片，以便观察下面的结构。 科学家们还在昆虫的胸部注射了少量蓝色染料。 染料由血淋巴携带，有助于可视化活细胞和组织。 热像仪也帮助余和他的同事分析了翅膀。 设备显示生物结构比周围环境更亮，证明它们正在散热。 该团队还发现蝴蝶有一个“翅膀心脏”，可以泵送血淋巴通过气味垫，哈佛大学比较动物学博物馆的生物学家和馆长，合著者内奥米·E·皮尔斯说。 该研究发表在上个月的自然通讯杂志上。
加州大学洛杉矶分校研究光和热与纳米结构相互作用的 Aaswath Raman 说，这项科学家的工作“非常了不起”，他没有参与这项研究。 “他们在这里揭示的特定微观结构，我们可以在我们自己的人工过程中构想出来，”他说。 “一个可能吸引人的地方是蝴蝶翅膀非常轻，而且所涉及的微观结构非常小而薄。 因此，从这篇[论文]中产生的一个想法是，它可以启发人们在非常轻的系统中有效散热的方法。”
研究人员已经在努力开发一种基于蝴蝶发现的散热材料，以及他们关于撒哈拉以南蚂蚁的类似研究。 他们希望设计一种冷却聚合物，并将其纺成类似于蝴蝶翅膀纳米结构的形状。 虽然离商业应用还很遥远，但由此产生的材料最终可能用于建筑涂料等用途。
除了重量轻之外，受蝴蝶启发的散热材料可能还有另一个优势：可以呈现多种颜色。 许多传统的散热涂层，例如凉爽屋顶上的涂层，往往是白色的，因为这种色调不吸收热量。 但纽约州立大学布法罗分校的光子学科学家 Qiaoqiang Gan 说，把太多东西涂成白色在美学上并不令人愉快，他没有参与这项研究。 “我们仍然需要一个色彩缤纷的世界，”甘说，并指出蝴蝶在自然界中是多么生动。“蝴蝶翅膀为我们提供了一个例子，表明彩色结构在特定情况下也可以实现辐射散热。”