受苍蝇眼睛启发的抗反射涂层

许多昆虫(包括果蝇)的眼睛都覆盖着一层薄薄的透明涂层，该涂层由具有抗反射、抗粘连特性的微小突起组成。发表在《自然》杂志上的一篇文章揭示了这种纳米涂层是如何制造的秘密。

来自日内瓦大学 (UNIGE) 和洛桑大学 (UNIL) 以及苏黎世联邦理工学院 (ETHZ) 的作者表明，涂层仅由两种成分组成：一种称为视黄素的蛋白质和角膜蜡。这两个组件通过在 1950 年代 Alan Turing 建模的形态发生过程中分别扮演激活剂和抑制剂的角色，自动生成规则的突起网络。多学科团队甚至通过在不同种类的表面上混合视黄素和蜡，成功地人工再现了这一现象。这个过程非常便宜并且基于可生物降解的材料，被用来获得具有类似于昆虫形态的纳米涂层，具有抗粘连和抗反射功能，可以在不同领域有许多应用隐形眼镜、医疗植入物和纺织品。

“覆盖一些昆虫眼睛表面的纳米涂层是在 1960 年代后期在飞蛾中发现的，”UNIGE 医学院细胞生理学和代谢系教授、该研究的首席研究员 Vladimir Katanaev 说。“它由直径约 200 纳米、高度几十纳米的小突起的密集网络组成。它具有减少光反射的效果。”

没有涂层的昆虫的角膜通常反射约 4% 的入射光，而在有涂层的昆虫中，这一比例降至零。尽管 4% 的改进看起来很小，但在进化过程中选择它已经足够了 - 特别是在黑暗条件下。由于其抗粘附特性，该涂层还提供物理保护，防止空气中最微小的灰尘颗粒。

Katanaev 教授十年前就进入了这个研究领域。2011 年，他和他的团队率先发现了果蝇(Drosophila melanogaster)眼睛上的纳米涂层。这种昆虫比飞蛾更适合科学研究，特别是因为它的基因组已经完全测序。

根据他们的初步结果，2015 年 Katanaev 教授和他的同事提出纳米涂层是由英国数学家艾伦图灵在 1950 年代建模的形态发生机制造成的。该模型认为，两个分子会自动组织起来，以产生规则斑块或条带的图案。第一个作为激活器，启动一个特殊模式出现并自我放大的过程。但它同时也刺激第二个分子，后者作为抑制剂并且扩散得更快。这个模型使得在宏观尺度上解释自然现象成为可能——例如豹子上的斑点或斑马上的条纹——和微观尺度上但从未在纳米尺度上解释过。

这位日内瓦研究人员现在收集了更多证据来支持这一假设。由于生化分析和基因工程的使用，Katanaev 教授和他的同事们成功地确定了图灵开发的反应扩散模型中涉及的两个组件。这取决于由几种特殊酶产生的称为视黄素和蜡的蛋白质，其中两种已被鉴定。视黄素起到活化剂的作用：最初是非结构化的形状，与蜡接触后呈球状结构并开始产生图案。另一方面，蜡起到抑制剂的作用。两者之间的权力博弈导致了纳米涂层的出现。

人造纳米涂层

“我们随后设法使用为此目的经过基因改造的细菌以非常低的成本生产维甲酸，”Katanaev 教授说。“净化后，我们将其与不同的商业蜡混合在玻璃和塑料表面上。然后我们能够非常轻松地复制纳米涂层。它的外观与昆虫中的涂层相似，并具有抗反射和抗粘连性特性。我们认为我们可以在几乎任何类型的表面上沉积这种类型的纳米涂层，包括木材、纸张、金属和塑料。”

初步测试表明，该涂层可耐受 20 小时的水洗(它很容易被洗涤剂或划伤损坏，但技术改进可以使其更坚固)。抗反射特性已经引起了隐形眼镜制造商的一定程度的兴趣，而抗粘附特性可能会吸引医疗植入物的生产商。事实上，这种类型的涂层可以控制人体细胞的附着位置。工业界已经拥有获得这一结果所需的技术。但他们使用苛刻的方法，例如激光或酸。日内瓦团队的解决方案具有廉价、良性和完全可生物降解的优势。

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