仿生豬籠草(三):捕蟲籠唇部的超雙疏表面應用

 
2017/03/03 歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
二齒豬籠草捕蟲籠籠口具徑向排列棱槽,會形成液膜使昆蟲滑倒,讓唇部成為超親水性和疏油性的超雙疏表面(繪製者:黃正文)。 二齒豬籠草(Nepenthes bicalcarata)捕蟲籠的唇部能誘捕昆蟲前來並滑倒掉入籠底消化液(圖片來源:歐陽盛芝)。
  • 二齒豬籠草捕蟲籠籠口具徑向排列棱槽,會形成液膜使昆蟲滑倒,讓唇部成為超親水性和疏油性的超雙疏表面(繪製者:黃正文)。
  • 二齒豬籠草(Nepenthes bicalcarata)捕蟲籠的唇部能誘捕昆蟲前來並滑倒掉入籠底消化液(圖片來源:歐陽盛芝)。
 
捕蟲籠是食蟲植物豬籠草葉片高度特化所形成,負責執行誘引、捕捉、留置和消化獵物等功能,成為獲得額外營養的利器,但除了以各種手法吸引昆蟲或小動物前來外,最重要的功能就是讓掉落這款天然捕蟲陷阱內的獵物逃不出去,最後能被分解吸收。捕蟲籠主要由上方的籠蓋連接瓶罐狀的籠身構成,籠蓋通常含有能分泌大量蜜汁的蜜腺,以鮮艷的色彩和香味吸引昆蟲前來取食;籠口邊緣是由內壁向外翻捲而成的一圏唇部(peristome),也會分泌蜜汁並具特殊稜紋結構,潮濕時會讓獵物滑倒跌落;至於籠身內壁上半部,通常有面積不等的平滑蠟質區(溜滑區),讓獵物無法逃出陷阱;至於下半部內壁會分泌消化液,負責分解獵物成可吸收養分。

豬籠草的捕蟲機制分為三種類型:第一類是捕蟲籠內壁充滿溜滑的蠟,由縝密的表面蠟晶體片晶構成,使抗黏附表面粗糙、並容易斷裂,因而可污染昆蟲足的附著結構,造成覓食昆蟲滑倒跌落籠內;第二類是用麻醉生物鹼(narcotic alkaloids)麻醉獵物以捕捉,例如馬達加斯加豬籠草(Nepenthes madagascariensis);第三類則利用籠口邊緣的唇部捕獲獵物。

大雨過後的潮濕讓二齒豬籠草(N. bicalcarata)能捕獲大量螞蟻,原因除下雨會弄濕唇部外,夜間定時形成的冷凝露水和唇部大量分泌的液狀蜜汁都會讓唇部濕潤活化,形成濕滑的超親水(superhydrophilicity)表面外,對於螞蟻等具有咀嚼式口器的昆蟲,更致命的是籠口唇部表面細棱之間的袋狀橫紋,凹口朝內的橫紋提供前進的抓握、而無後退的支撐,僅能往籠內爬行而踏入致命陷阱。二齒豬籠草唇部幼嫩時呈黃綠色,成熟後變暗紅色,呈寬大的領狀,厚度為3.3±0.7mm,以掃描式電子顯微鏡觀察時,可看到籠口由徑向排列的棱槽組成,每一槽內具多條縱向細棱,細棱之間形成許多袋狀橫紋,橫紋的凹口朝向捕蟲籠籠身內,這種結構兼具儲存液體作用,有助於維持籠口濕潤。

豬籠草唇部表皮細胞表面光滑且無蠟質,親水性和縝密的粗糙性可增強濕潤性能,加上無蠟晶體(hydrophobic wax)及具吸濕性的蜜汁可增加毛細力、促進液膜形成,水滴在豬籠草唇部表面因此得以迅速擴散,甚至能抵抗重力。在潮濕條件下,連續的薄水膜可完全覆蓋唇部表面,此液膜會使昆蟲足墊無法黏附而站不穩。昆蟲係依靠足爪和足墊自由行走或停留在自然界大部分的基材上,藉由與不規則的表面機械互鎖(mechanical interlock),才能以足爪附著於粗糙基材上,但僅限於表面直徑遠大於其爪尖直徑時才能攀爬垂直基材;如遇光滑表面,需靠特化的跗節黏附墊(attachment pads),此黏附墊的功能則由光滑的彈性足墊和多毛的適應結構這兩種不同機制決定。但豬籠草唇部濕滑的液膜作用,加上其非等向性表面「地形」可防止足爪的互鎖,使昆蟲滑入籠內。

液體與所接觸的固體表面形成的夾角稱為「接觸角」(contact angle),液體與物體表面相互吸附時接觸角越小;反之,液體與物體表面相互排斥時接觸角越大。當水在材質表面上的接觸角小於90°時稱為親水材質,小於10°稱為超親水表面,水滴散佈的速度非常快,同時水分也會滯留讓表面保持潤濕的狀態,大多數的親水表面同時也具有疏油性,自然界中豬籠草的唇部就是最常見的超親水表面,同時也兼具「疏油性」(oleophobic);接觸角大於90°為疏水材質,大於150°以上者稱為超疏水(super-hydrophobic)表面,在自然界最有名的為蓮葉,其他還包括玫瑰花、花生葉、水稻葉、昆蟲翅膀、水黽足等,仿生蓮葉的人造超疏水表面近20年來不斷被製成塗料,作為玻璃、地磚、紡織品等物品的表面防污處理,但製造困難,成本很高且容易被油污染而失去超疏水性。

雖然自然界中存在接觸角大於150°甚至達180°的生物表面,但水對平坦的仿生材質如鐵氟龍(Teflon,聚四氟乙烯Polytetrafluoroethene,簡稱PTFE,俗稱「塑料王」)或有機矽(聚二甲基矽氧烷,簡稱PDMS)的接觸角最大極限只有120°。故科學家近來已開始仿生豬籠草唇部表面的仿生超雙疏材料,有兩種製備方法:一是藉由改變物體表面來達到超疏水的效果,如黑矽;或是增加一層超疏水塗層以獲得超疏水特性,如「永不濕」(NeverWet)及「水不沾」(LiquidOff)產品,都能夠在被油污染的情況下仍能保持超疏水性和自潔能力。目前已經開發仿生豬籠草捕蟲籠唇部結構的超雙疏表面材料種類繁多,生產成本較低,且可提供良好的防水防油性能,這些超疏水材料和塗層廣泛應用於日常生活、醫藥衛生、工農業生產及國防事業等領域,包括自潔、防腐蝕、防霧、油水分離、防覆冰、化學反應、綠色印刷、癌細胞捕獲識別等功能,未來豬籠草唇部的超親水超疏油表面,將成為仿生超疏水材料的熱門研究課題,創造廣闊的應用前景。

(以上新聞編譯自2016年2月19日發行之Materials期刊等)
(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
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  • 延伸閱讀:
     
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    • 陳燕、唐曉山、成夏嵐、陳華盛、鄭小林(2011)豬籠草葉表皮及腺體的微形態特徵,園藝學報。
     
 
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