三種家禽次級飛羽表面的疏水性研究

關琳 孫剛

摘要：本文通過觀察三種家禽次級飛羽的表面微觀結構，以及對三種家禽次級飛羽進行接觸角測量，發現家鵝次級飛羽表面的接觸角最大144.26°，接觸角最小的是家雞次級飛羽反面為128.04°。家鴨次級飛羽反面接觸角136.38°，家鵝次級飛羽反面接觸角是136.22°，家鴨次級飛羽正面接觸角為143.96°，家鵝次級飛羽正面接觸角為144.26°，其接觸角度數相差不大，三種家禽次級飛羽均具有疏水特性。

關鍵詞：家禽次級飛羽;掃描電鏡;微觀結構;疏水性

根據羽毛的形狀和所處部位不同，家禽羽毛類型主要包括：正羽、絨羽和纖羽[1]。潤濕性是固體表面的重要特征之一，其影響因素主要包括表面化學組成（表面自由能）和表面微觀結構（粗糙度）[2]。超疏水表面特性一般表現為較低的表面能、粗糙的微納米表面結構。要想達到接觸角大于150°，需要構建多層級固體表面結構[3]。自然界中有許多生物體的表面具有自潔功能，以天然活性表面為模板，設計與制備具有特殊用途的復合功能材料，是目前仿生工程學領域的熱點之一[4，5]。本實驗通過掃描電子顯微鏡觀察家禽次級飛羽表面微觀結構，同時對三種家禽次級飛羽表面進行接觸角測量，為日后的疏水性表面研究提供實驗依據。

1 實驗材料

家雞（Gallus gallus domesticus）鳥綱，雞形目，雉科。家鴨（Anas platyrhynchos domestica）鳥綱，雁形目，鴨科。家鵝（Anser cygnoides orientalis）鳥綱，雁形目，鴨科。

三種家禽的次級飛羽。

1.1 主要藥品及試劑

95%無水乙醇（北京化工廠）;雕牌速溶快潔洗衣粉（納愛斯集團有限公司）。

1.2 主要實驗儀器及設備

光學法接觸角張力儀器C60（上海梭倫）;掃描電子顯微鏡SU8010（日本日立）。

2 實驗方法

洗衣粉清洗三種家禽次級飛羽樣本去除表面雜質，清水洗凈，快速用無水乙醇漂洗3次，陰干。將經過清洗的3種家禽次級飛羽樣本剪2mm×2mm大小，用導電膠帶將其按照正反面以及一定的順序粘貼在導電銅柱上，因為次級飛羽樣本本身不具有導電作用，因此觀察前需對樣品表面進行噴金處理。用掃描電子顯微鏡（SEM）對樣本表面進行觀察并拍照，用迅捷CAD對次級飛羽進行測量。將次級飛羽樣本剪裁成4mm×6mm大小的平行四邊形，用光學接觸角張力儀對三種家禽次級飛羽表面進行靜態接觸角測量，記錄結果。

3 結果與分析

3.1 三種家禽次級飛羽樣本的表面微觀結構

通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察三種次級飛羽表面羽小枝間距，使用迅捷CAD軟件進行測量結果見表1。家雞羽枝正面羽小鉤的長度沒有家鴨羽枝上羽小鉤長度變化大，家鵝次級飛羽正面羽小鉤的長度變化相對較大。三種家禽次級飛羽正面羽枝間距最小的是鴨羽，最大的是雞羽，反面羽枝間距雞羽最小，鵝羽最大，鴨羽介于二者之間。羽枝間的間距越大，家禽羽毛越能最大面積的接觸到氣流，使得家禽在飛行時產生更大的動能。

家雞次級飛羽正面靠近羽枝的羽小枝下端沒有明顯結構，羽小枝遠端有較長的纖毛和羽小鉤，羽小鉤頂端有較為明顯的回鉤，放大觀察后發現羽小枝上有分布均勻的不明顯的溝槽結構（圖1）。家鴨次級飛羽正面羽小枝遠端有纖毛，但無明顯的羽小鉤，有節狀凸起排列緊密（圖3）。家鵝次級飛羽正面羽小枝前端有羽小鉤，但羽小鉤無回鉤方向朝上，相鄰羽小枝上的羽小鉤位置排列基本一致（圖5）。三種家禽次級飛羽的羽枝上有都有羽小枝，相鄰的羽枝間相互交疊構成凹陷的溝槽，羽枝和羽軸構成凸起的脊，這種納米結構可以使翅膀成為有機的整體。三種家禽次級飛羽反面結構類似，都是由上一個羽片壓住下一個羽片緊密排列呈覆瓦狀（圖2、4、6）。

3.2 次級飛羽表面的疏水性

使用光學接觸角測量儀測量三種次級飛羽與水的表面接觸角，結果見表2。家雞次級飛羽正面、反面的接觸角分別為132.59°和128.04°，家鴨次級飛羽的正面和反面的接觸角分別為143.96°和136.38°，家鵝次級飛羽的正面和反面接觸角分別為144.26°和136.22°。三種家禽次級飛羽正、反表面的接觸角均大于90°，其中家鵝次級飛羽正面接觸角最大，家鴨次級飛羽正面接觸角與家鵝次級飛羽正面相差不大，家雞次級飛羽反面接觸角相對來說最小，所以三種家禽次級飛羽均具有疏水性。

三種家禽次級次級飛羽正面的接觸角均高于其反面的接觸角，因為次級飛羽正面羽枝表面結構相對復雜，有鉤羽小枝、無鉤羽小枝、節狀羽小枝形成凸起的脊和凹槽，這些微納結構是影響羽毛表面接觸角大小的主要原因，而次級飛羽反面的結構相對平滑，沒有凸起所以相對次級飛羽正面結構的接觸角會偏小，但其本身的覆瓦狀結構也具有一定的疏水性。

4 結論

用掃描電子顯微鏡觀察三種家禽次級飛羽表面形態，結果表明：三種家禽次級飛羽正面表面羽枝均具有有鉤羽小枝、無鉤羽小枝和節狀羽小枝，這些納米級的凸起和結構排列規律，可以減少次級飛羽與微米級的小水滴（20～15μm）的接觸。接觸角大于90°即具有疏水特性，接觸角大于150°具有超疏水特性，三種家禽羽毛表面接觸角均大于125°小于145°，因此三種家禽羽毛表面結構均具有一定的疏水特性，家鵝和家鴨次級飛羽正面接觸角度數接近150°，因此家鵝和家鴨次級飛羽正面微觀結構疏水性最好，家雞的次級飛羽反面結構疏水性相對較弱。經過實驗分析證明了影響三種家禽的次級飛羽疏水性的原因與羽毛表面的結構有一定的關系。

參考文獻：

[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]王萬興，房巖，藍藍，等.植物葉表面超疏水性研究進展[J].農業與技術，2018，38（17）：2930+86.

[3]孫剛，房巖，叢茜，等.甲醇/水混合溶液在蝴蝶翅膀表面的潤濕行為[J].吉林大學學報（工學版），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，趙勇，江雷.受生物啟發的多尺度微/納米結構材料[J].高等學校化學學報，2011，32（3）：421428.

*通訊作者：孫剛。