(Kim et al., PNAS, 2020) Für den Menschen ist es ein bloßes Ärgernis, von heftigen Regentropfen ins Gesicht geschlagen zu werden. Aber für winzige und empfindliche Organismen – wie Schmetterlinge – sind Regenwassertropfen so, als würde eine Person von Bowlingkugeln getroffen, die vom Himmel fallen. Autsch.
„[Von] Regentropfen getroffen zu werden, ist das gefährlichste Ereignis für diese Art von Kleintier.“ sagte Bio- und Umweltingenieur Sunghwan „Sunny“ Jung von der Cornell University in New York.
Jung erklärt, dass die Kraft des Aufpralls allein nicht das einzige Problem ist, das Regentropfen für zerbrechliche Lebewesen verursachen können. Regen beeinträchtigt die Flugdynamik von Insekten und kann Vögeln die Wärme entziehen. Daher ist es für viele Tiere wichtig, die Kontaktzeit mit jedem Regentropfen zu begrenzen.
Seungho Kim, Jung und Kollegen haben genauer untersucht, wie verschiedene Tiere und Pflanzen diese potenzielle Gefahr abschwächen. Sie verwendeten eine Hochgeschwindigkeitskamera, die zwischen 5.000 und 20.000 Bilder pro Sekunde aufnahm, um die Auswirkungen von Wasser zu beobachten, das auf Schmetterlinge, Motten, Libellen, Tölpelfedern und Katsura-Blätter fällt.
Frühere Studien hatten ähnliche Beobachtungen zu Tropfenaufprallen mit Geschwindigkeiten gemacht, die viel geringer sind als bei echten Regentropfen – die bis zu 10 Meter (33 Fuß) pro Sekunde erreichen können. In diesem neue Studie Das Team ließ mit hoher Geschwindigkeit Wasser auf seine Probanden fallen und zeichnete die unterschiedlichen Aufpralldynamiken auf, die dabei ins Spiel kamen.
Sie beobachteten, dass ein Tropfen, wenn er mit der Oberfläche eines Blattes oder eines Schmetterlingsflügels kollidiert, auf mikroskopisch kleine Erhebungen oder Spitzen fällt, die stoßartige Wellen durch das Miniaturgewässer erzeugen. Diese Wellen stören sich gegenseitig Dadurch bildet das Tröpfchen bei seiner Ausbreitung ein Faltenmuster mit unterschiedlicher Dicke über sein Volumen.
Dann, gerade als der Tropfen abprallen will, können die Stacheln auf der Oberfläche des Flügels durch den Welleneffekt Löcher in den Wasserfilm bohren, wodurch der Tropfen in winzige Fragmente zerbricht. (Dieser Effekt wurde weiter untersucht, indem Wasser auf eine künstliche Oberfläche getropft wurde, die die Oberflächenspitzen nachahmte.)
Diagramm des kräuselnden Tropfens nach dem Aufprall auf einer superhydrophoben Oberfläche. (Kim et al, PNAS, 2020)
Eine nanoskalig strukturierte Wachsschicht auf diesen natürlichen Oberflächen trägt zur Wasserabweisung bei; Zusammen mit der Fragmentierung des Tropfens verkürzt sich dadurch die Kontaktzeit zwischen Flüssigkeit und Oberfläche um bis zu 70 Prozent Forscher herausgefunden .
Dies wiederum verringert die Menge an Wärme- und Impulsübertragung. Dies würde einen großen Unterschied für Insekten bedeuten, die etwas Wärme in ihren Muskeln speichern müssen, um fliegen und Raubtieren entkommen zu können.
„Durch diese zweistufigen Strukturen – eine im Mikromaßstab (die raue holprige Struktur) und die andere im Nanomaßstab (die Wachsstruktur)“ erklärt Jung, diese Organismen „können eine superhydrophobe [wasserabweisende] Oberfläche haben.“
(Cornell Universität)
Kim und Kollegen fingen diese fragmentierten Regenscherben auch beim Schmuggeln pathogener Pilzsporen ein – und enthüllten, wie Pilze pflanzliche Abwehrkräfte nutzen können, um ihre eigenen Ausbreitungskräfte zu verbessern.
„Dies ist die erste Studie, die versteht, wie sich schnelle Regentropfen auf diese natürlichen hydrophoben Oberflächen auswirken.“ sagte Jung.
Dieses verbesserte Verständnis darüber, wie Mikrospitzen auf Schmetterlingsflügeln Regentropfen zerschmettern, könnte Ingenieuren bei der Entwicklung fortschrittlicherer wasserdichter Materialien helfen, ein Bereich, der bereits aus der Natur stammt. wie die wasserabweisende Beschichtung auf Kleidung, die von Lotusblättern inspiriert ist .
„Es gibt einen riesigen Markt für solche Oberflächen“ sagte Jung, aber wenn man „von diesem Material inspirierte technische Produkte herstellen möchte, ist Haltbarkeit das größte Problem.“
Diese Forschung wurde in der veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften .