三种家禽次级飞羽表面的疏水性研究

关琳 孙刚

摘要：本文通过观察三种家禽次级飞羽的表面微观结构，以及对三种家禽次级飞羽进行接触角测量，发现家鹅次级飞羽表面的接触角最大144.26°，接触角最小的是家鸡次级飞羽反面为128.04°。家鸭次级飞羽反面接触角136.38°，家鹅次级飞羽反面接触角是136.22°，家鸭次级飞羽正面接触角为143.96°，家鹅次级飞羽正面接触角为144.26°，其接触角度数相差不大，三种家禽次级飞羽均具有疏水特性。

关键词：家禽次级飞羽;扫描电镜;微观结构;疏水性

根据羽毛的形状和所处部位不同，家禽羽毛类型主要包括：正羽、绒羽和纤羽[1]。润湿性是固体表面的重要特征之一，其影响因素主要包括表面化学组成（表面自由能）和表面微观结构（粗糙度）[2]。超疏水表面特性一般表现为较低的表面能、粗糙的微纳米表面结构。要想达到接触角大于150°，需要构建多层级固体表面结构[3]。自然界中有许多生物体的表面具有自潔功能，以天然活性表面为模板，设计与制备具有特殊用途的复合功能材料，是目前仿生工程学领域的热点之一[4，5]。本实验通过扫描电子显微镜观察家禽次级飞羽表面微观结构，同时对三种家禽次级飞羽表面进行接触角测量，为日后的疏水性表面研究提供实验依据。

1 实验材料

家鸡（Gallus gallus domesticus）鸟纲，鸡形目，雉科。家鸭（Anas platyrhynchos domestica）鸟纲，雁形目，鸭科。家鹅（Anser cygnoides orientalis）鸟纲，雁形目，鸭科。

三种家禽的次级飞羽。

1.1 主要药品及试剂

95%无水乙醇（北京化工厂）;雕牌速溶快洁洗衣粉（纳爱斯集团有限公司）。

1.2 主要实验仪器及设备

光学法接触角张力仪器C60（上海梭伦）;扫描电子显微镜SU8010（日本日立）。

2 实验方法

洗衣粉清洗三种家禽次级飞羽样本去除表面杂质，清水洗净，快速用无水乙醇漂洗3次，阴干。将经过清洗的3种家禽次级飞羽样本剪2mm×2mm大小，用导电胶带将其按照正反面以及一定的顺序粘贴在导电铜柱上，因为次级飞羽样本本身不具有导电作用，因此观察前需对样品表面进行喷金处理。用扫描电子显微镜（SEM）对样本表面进行观察并拍照，用迅捷CAD对次级飞羽进行测量。将次级飞羽样本剪裁成4mm×6mm大小的平行四边形，用光学接触角张力仪对三种家禽次级飞羽表面进行静态接触角测量，记录结果。

3 结果与分析

3.1 三种家禽次级飞羽样本的表面微观结构

通过扫描电子显微镜（SEM）观察三种次级飞羽表面羽小枝间距，使用迅捷CAD软件进行测量结果见表1。家鸡羽枝正面羽小钩的长度没有家鸭羽枝上羽小钩长度变化大，家鹅次级飞羽正面羽小钩的长度变化相对较大。三种家禽次级飞羽正面羽枝间距最小的是鸭羽，最大的是鸡羽，反面羽枝间距鸡羽最小，鹅羽最大，鸭羽介于二者之间。羽枝间的间距越大，家禽羽毛越能最大面积的接触到气流，使得家禽在飞行时产生更大的动能。

家鸡次级飞羽正面靠近羽枝的羽小枝下端没有明显结构，羽小枝远端有较长的纤毛和羽小钩，羽小钩顶端有较为明显的回钩，放大观察后发现羽小枝上有分布均匀的不明显的沟槽结构（图1）。家鸭次级飞羽正面羽小枝远端有纤毛，但无明显的羽小钩，有节状凸起排列紧密（图3）。家鹅次级飞羽正面羽小枝前端有羽小钩，但羽小钩无回钩方向朝上，相邻羽小枝上的羽小钩位置排列基本一致（图5）。三种家禽次级飞羽的羽枝上有都有羽小枝，相邻的羽枝间相互交叠构成凹陷的沟槽，羽枝和羽轴构成凸起的脊，这种纳米结构可以使翅膀成为有机的整体。三种家禽次级飞羽反面结构类似，都是由上一个羽片压住下一个羽片紧密排列呈覆瓦状（图2、4、6）。

3.2 次级飞羽表面的疏水性

使用光学接触角测量仪测量三种次级飞羽与水的表面接触角，结果见表2。家鸡次级飞羽正面、反面的接触角分别为132.59°和128.04°，家鸭次级飞羽的正面和反面的接触角分别为143.96°和136.38°，家鹅次级飞羽的正面和反面接触角分别为144.26°和136.22°。三种家禽次级飞羽正、反表面的接触角均大于90°，其中家鹅次级飞羽正面接触角最大，家鸭次级飞羽正面接触角与家鹅次级飞羽正面相差不大，家鸡次级飞羽反面接触角相对来说最小，所以三种家禽次级飞羽均具有疏水性。

三种家禽次级次级飞羽正面的接触角均高于其反面的接触角，因为次级飞羽正面羽枝表面结构相对复杂，有钩羽小枝、无钩羽小枝、节状羽小枝形成凸起的脊和凹槽，这些微纳结构是影响羽毛表面接触角大小的主要原因，而次级飞羽反面的结构相对平滑，没有凸起所以相对次级飞羽正面结构的接触角会偏小，但其本身的覆瓦状结构也具有一定的疏水性。

4 结论

用扫描电子显微镜观察三种家禽次级飞羽表面形态，结果表明：三种家禽次级飞羽正面表面羽枝均具有有钩羽小枝、无钩羽小枝和节状羽小枝，这些纳米级的凸起和结构排列规律，可以减少次级飞羽与微米级的小水滴（20～15μm）的接触。接触角大于90°即具有疏水特性，接触角大于150°具有超疏水特性，三种家禽羽毛表面接触角均大于125°小于145°，因此三种家禽羽毛表面结构均具有一定的疏水特性，家鹅和家鸭次级飞羽正面接触角度数接近150°，因此家鹅和家鸭次级飞羽正面微观结构疏水性最好，家鸡的次级飞羽反面结构疏水性相对较弱。经过实验分析证明了影响三种家禽的次级飞羽疏水性的原因与羽毛表面的结构有一定的关系。

参考文献：

[1]CHEN C F，FOLEY J，TANG P C，et al.Development，regeneration，and evolution of feathers[J].Annual Review of Animal Biosciences，2015，3（1）：169195.

[2]王万兴，房岩，蓝蓝，等.植物叶表面超疏水性研究进展[J].农业与技术，2018，38（17）：2930+86.

[3]孙刚，房岩，丛茜，等.甲醇/水混合溶液在蝴蝶翅膀表面的润湿行为[J].吉林大学学报（工学版），2012，42（Sup.1）：429432.

[4]Fang Yan，Sun Gang，Bi Yuhan，et al.Multipledimensional micronano structural models for hydrophobicity of butterfly wing surfaces and coupling mechanism[J].Sci Bull，2015，60（2）：256263.

[5]王女，赵勇，江雷.受生物启发的多尺度微/纳米结构材料[J].高等学校化学学报，2011，32（3）：421428.

*通讯作者：孙刚。