大自然经常启发工程学。例如，蝉翼以其防水和抗菌特性长期以来吸引着研究人员，这些特性在人造产品中复制将非常有用。但之前的研究涉及完全去除翅膀表面的化学物质，有时会损坏翅膀，并对这些化学物质如何与翅膀的结构协同工作给出不完整的 picture。新的研究逐层调查覆盖蝉翼的物质，揭示了形貌和化学性质之间复杂的相互作用。
研究人员分析了两种蝉物种，它们的翅膀上都有一种高度有序的微小锥形结构模式，称为纳米柱。先前的研究表明，纳米柱有助于昆虫的防水能力并帮助杀死微生物。
为了避免翅膀损坏，该团队测试了一种称为微波辅助提取的方法，这种方法以前从未在完整的昆虫翅膀上使用过，桑迪亚国家实验室的分析化学家杰西卡·罗曼-库斯塔斯说。罗曼-库斯塔斯是这项新研究的主要作者，该研究于五月发表在《先进材料界面》杂志上。该方法包括将浸泡在氯仿和甲醇中的翅膀加热和冷却，分析脱落的化学物质层。“这[是]几天坐在微波炉旁，拿着计时器和电脑，”她说。
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在两种蝉物种中，研究人员都发现纳米柱的化学成分对于维持结构完整性非常重要。“当你从纳米柱上移除外部[化学]层时，柱子会变短并向彼此弯曲，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的生物学家、该研究的资深作者玛丽安·阿莱恩说。
在年度蝉Neotibicen pruinosus中，这种萎蔫效应更为极端，并且最初使翅膀的防水性降低（尽管随着更多化学物质的去除，它们恢复了一些这种能力）。随着第一层的去除，杀菌活性实际上有所增强，但随着更多化合物被剥离，杀菌活性又再次下降。该团队发现，每17年出现一次的蝉Magicicada cassinii具有较短的纳米柱，其表面化学物质本身似乎具有杀菌特性——这表明这些蝉更多地依赖于其化学成分而不是结构来杀死微生物。
“很明显……不同的层有不同的用途，”西弗吉尼亚大学的物理化学家特里·古利昂说，他没有参与这项研究，“并且探测特定层的能力对于[获得]对整体物理特性对化学成分的依赖性有更好的理解非常重要。”
了解化学物质如何（或不如何）影响结构可能有助于科学家设计更好的产品。“通过掌握关于结构和化学性质如何相互关联的这种基本知识，”阿莱恩说，“我们可以更合理地设计新材料，根据我们在自然界中观察到的情况，对结构和化学性质做出选择……”