Jak wynika z nowego badania prowadzonego przez naukowców z Penn State, skoczki liściowe, pospolity owad przydomowy, wydzielają i pokrywają się drobnymi, tajemniczymi cząsteczkami, które mogą zapewnić zarówno inspirację, jak i instrukcje dla technologii nowej generacji. W pierwszym przypadku zespół precyzyjnie odtworzył złożoną geometrię tych cząstek, zwanych brochosomami, i pozwolił lepiej zrozumieć, w jaki sposób pochłaniają one zarówno światło widzialne, jak i ultrafioletowe.
Mogłoby to umożliwić opracowanie inspirowanych biologią materiałów optycznych o możliwych zastosowaniach, od niewidzialnych urządzeń maskujących po powłoki w celu wydajniejszego pozyskiwania energii słonecznej, powiedział Tak-Sing Wong, profesor inżynierii mechanicznej i inżynierii biomedycznej. Wong kierował badaniem, które zostało opublikowane dzisiaj (18 marca) w Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
Wyjątkowe, maleńkie cząstki mają niezwykłą geometrię przypominającą piłkę nożną z wgłębieniami, a ich dokładne przeznaczenie dla owadów pozostaje dla naukowców tajemnicą od lat pięćdziesiątych XX wieku. W 2017 roku Wong kierował zespołem badawczym w Penn State, który jako pierwszy stworzył podstawową, syntetyczną wersję brochosomów, próbując lepiej zrozumieć ich funkcję.
„To odkrycie może być bardzo przydatne w innowacjach technologicznych” – powiedział Lin Wang, doktor habilitowany w dziedzinie inżynierii mechanicznej i główny autor badania. „Dzięki nowej strategii regulowania odbicia światła od powierzchni być może będziemy w stanie ukryć sygnatury termiczne ludzi lub maszyn. Być może pewnego dnia ludzie będą w stanie opracować termiczną pelerynę-niewidkę opartą na sztuczkach stosowanych przez skoczki polistne. Nasza praca pokazuje, jak zrozumieć przyrodę może nam pomóc w rozwoju nowoczesnych technologii.”
Wang następnie wyjaśnił, że chociaż naukowcy wiedzą o cząstkach brochosomów od trzech czwartych wieku, wytworzenie ich w laboratorium było wyzwaniem ze względu na złożoność geometrii cząstki.
„Nie jest jasne, dlaczego skoczki polistne wytwarzają cząstki o tak złożonej strukturze” – powiedział Wang. „Udało nam się wyprodukować te brochosomy przy użyciu zaawansowanej metody druku 3D w laboratorium. Odkryliśmy, że te wytworzone w laboratorium cząstki mogą redukować światło odbicie aż do 94%. To duże odkrycie, ponieważ po raz pierwszy widzieliśmy, jak natura robi coś takiego, kontrolując światło w tak specyficzny sposób za pomocą pustych cząstek”.
Teorie na temat tego, dlaczego skoczki polne okrywają się zbroją brochosomową, rozciągają się od ochrony przed zanieczyszczeniami i wodą po pelerynę-niewidkę przypominającą superbohatera. Jednak nowe zrozumienie ich geometrii stwarza duże prawdopodobieństwo, że ich głównym celem może być osłona chroniąca przed drapieżnikami, twierdzi Tak-Sing Wong, profesor inżynierii mechanicznej i inżynierii biomedycznej oraz współautor badania.
Naukowcy odkryli, że niezwykle ważny jest rozmiar otworów w brochosomie, które nadają mu pusty wygląd przypominający piłkę nożną. Rozmiar jest taki sam u wszystkich gatunków skoczków, niezależnie od wielkości ciała owada. Brochosomy mają średnicę około 600 nanometrów – czyli około połowę wielkości pojedynczej bakterii – a pory brochosomów mają około 200 nanometrów.
„To skłania nas do zadania pytania” – powiedział Wong. „Skąd taka konsystencja? Jaki jest sekret posiadania brochosomów o średnicy około 600 nanometrów i porach o wielkości około 200 nanometrów? Czy to ma jakiś cel?”
Naukowcy odkryli, że unikalna konstrukcja brochosomów ma dwojaki cel: pochłania światło ultrafioletowe (UV), które ogranicza widoczność dla drapieżników widzących w promieniach UV, takich jak ptaki i gady, oraz rozprasza światło widzialne, tworząc antyrefleksyjną tarczę przed potencjalnymi zagrożeniami. . Rozmiar otworów jest idealny do pochłaniania światła o częstotliwości ultrafioletowej.
Naukowcy twierdzą, że może to potencjalnie prowadzić do różnorodnych zastosowań syntetycznych brochosomów u ludzi, takich jak bardziej wydajne systemy pozyskiwania energii słonecznej, powłoki chroniące farmaceutyki przed uszkodzeniami wywołanymi światłem, zaawansowane filtry przeciwsłoneczne zapewniające lepszą ochronę skóry przed uszkodzeniami słonecznymi, a nawet urządzenia maskujące . Aby to przetestować, zespół musiał najpierw wyprodukować syntetyczne brochosomy, co samo w sobie było poważnym wyzwaniem.
W badaniu przeprowadzonym w 2017 r. naukowcy naśladowali niektóre cechy brochosomów, zwłaszcza wgłębienia i ich rozmieszczenie, używając materiałów syntetycznych. To pozwoliło im zacząć rozumieć właściwości optyczne. Udało im się jednak stworzyć jedynie coś, co wyglądało jak brochosomy, a nie dokładną replikę.
„Po raz pierwszy jesteśmy w stanie wykonać dokładną geometrię naturalnego brochosomu” – powiedział Wong, wyjaśniając, że naukowcom udało się stworzyć skalowane syntetyczne repliki struktur brochosomów, korzystając z zaawansowanej technologii druku 3D.
Wydrukowali powiększoną wersję o rozmiarze 20 000 nanometrów, czyli mniej więcej jednej piątej średnicy ludzkiego włosa. Naukowcy precyzyjnie odtworzyli kształt i morfologię, a także liczbę i rozmieszczenie porów za pomocą druku 3D, aby wytworzyć wciąż małe sztuczne brochosomy, które były wystarczająco duże, aby można było je scharakteryzować optycznie.
Wykorzystali spektrometr podczerwieni z transformacją mikro-Fouriera (FTIR), aby zbadać, w jaki sposób brochosomy wchodzą w interakcję ze światłem podczerwonym o różnych długościach fal, co pomogło badaczom zrozumieć, w jaki sposób struktury manipulują światłem.
Następnie naukowcy oświadczyli, że planują ulepszyć wytwarzanie syntetycznych brochosomów, aby umożliwić produkcję na skalę bliższą wielkości naturalnych brochosomów. Zbadają także dodatkowe zastosowania syntetycznych brochosomów, takie jak szyfrowanie informacji, w przypadku którego struktury przypominające brochosomy można wykorzystać jako część systemu szyfrowania, w którym dane są widoczne tylko w określonych długościach fal światła.
Wang zauważył, że ich prace nad brochosomami pokazują wartość podejścia do badań biomimetycznych, w ramach którego naukowcy szukają inspiracji w naturze.
„Natura była dla naukowców dobrą nauczycielką w zakresie opracowywania nowatorskich, zaawansowanych materiałów” – powiedział Wang. „W tym badaniu skupiliśmy się tylko na jednym gatunku owadów, ale istnieje o wiele więcej niesamowitych owadów, które czekają na zbadanie przez naukowców zajmujących się materiałami i mogą pomóc nam rozwiązać różne problemy inżynieryjne. Nie są to tylko błędy ; są inspiracją.”
Oprócz Wonga i Wanga z Penn State w badaniu uczestniczyli także Sheng Shen, profesor inżynierii mechanicznej, oraz Zhuo Li, doktorant w dziedzinie inżynierii mechanicznej, obaj na Uniwersytecie Carnegie Mellon, którzy wnieśli wkład w symulacje w tym badaniu. Wang i Li w równym stopniu przyczynili się do tej pracy, na którą badacze złożyli tymczasowy patent w USA. Biuro Badań Marynarki Wojennej wsparło te badania.