Ця звичайна комаха допомагає вченим розробляти пристрої невидимки

Згідно з новим дослідженням, проведеним дослідниками Пенсільванія, цивілки, звичайна комахаі, виділяють крихітні таємничі частинки, які можуть бути як джерелом натхнення, так і інструкціями для технології наступного покоління. Спочатку команда точно відтворила складну геометрію цих частинок, які називаються брохосомами, і з’ясувала краще розуміння того, як вони поглинають як видиме, так і ультрафіолетове світло.

Це може дозволити розробляти біоінспіровані оптичні матеріали з можливими застосуваннями, починаючи від невидимих ​​маскувальних пристроїв і закінчуючи покриттями для більш ефективного збирання сонячної енергії, сказав Так-Сінг Вонг, професор машинобудування та біомедичної інженерії. Вонг очолив дослідження, яке було опубліковано сьогодні (18 березня) в Працях Національної академії наук Сполучених Штатів Америки (PNAS).

Таємниця брохосом розкрита

Унікальні крихітні частинки мають незвичайну геометрію, схожу на футбольний м’яч, із порожнинами, і їх точне призначення для комах було чимось на зразок загадки для вчених з 1950-х років. У 2017 році Вонг очолював дослідницьку групу штату Пенсільванія, яка першою створила базову синтетичну версію брохосом, намагаючись краще зрозуміти їхню функцію.

«Це відкриття може бути дуже корисним для технологічних інновацій», — сказав Лінь Ван, докторант у галузі машинобудування та провідний автор дослідження. «Завдяки новій стратегії регулювання відбиття світла на поверхні ми зможемо приховати теплові ознаки людей або машин. Можливо, колись люди зможуть розробити тепловий плащ-невидимку на основі трюків, якими користуються листовійки. Наша робота показує, як розуміння природи може допомогти нам розвивати сучасні технології».

Далі Ван пояснив, що, незважаючи на те, що вчені знають про частинки брохосоми три чверті століття, зробити їх у лабораторії було складним завданням через складність геометрії частинок.

Розуміння та реплікація брохосом

«Було незрозуміло, чому цикадки виробляють частинки з такою складною структурою, — сказав Ван. — Нам вдалося виготовити ці брохосоми за допомогою високотехнологічного методу 3D-друку в лабораторії. Ми виявили, що ці виготовлені в лабораторії частинки можуть зменшити відбиття світла до 94%. Це велике відкриття, тому що ми вперше бачимо, як природа робить щось подібне, де вона контролює світло таким специфічним чином за допомогою порожнистих частинок».

Теорії про те, чому цикадки покривають себе брохосомною бронею, варіювалися від захисту від забруднень і води до плаща-невидимки, схожого на супергероя. Однак нове розуміння їх геометрії підвищує ймовірність того, що їх основною метою може бути плащ, щоб уникнути хижаків, за словами Так-Сінг Вонга, професора машинобудування та біомедичної інженерії та відповідного автора дослідження.

Дослідники виявили, що розмір отворів у брохосомі, які надають їй порожнистого вигляду, схожого на футбольний м’яч, є надзвичайно важливим. Розмір є однаковим для різних видів листоїдів , незалежно від розміру тіла комахи. Брохосоми мають приблизно 600 нанометрів у діаметрі — приблизно половину розміру окремої бактерії — а пори брохосоми — близько 200 нанометрів.

«Це змушує нас поставити запитання», — сказав Вонг. «Чому така послідовність? У чому секрет наявності брохосом розміром приблизно 600 нанометрів з порами приблизно 200 нанометрів? Це служить якійсь меті?»

Потенційні застосування та майбутні напрямки

Дослідники виявили, що унікальний дизайн брохосом виконує подвійну мету — поглинання ультрафіолетового (УФ) світла, яке зменшує видимість для хижаків із ультрафіолетовим зором, таких як птахи та рептилії, і розсіювання видимого світла, створюючи антибліковий щит від потенційних загроз. Розмір отворів ідеально підходить для поглинання світла ультрафіолетової частоти.

Це потенційно може призвести до різноманітних застосувань для людей, які використовують синтетичні брохосоми, наприклад, більш ефективні системи збору сонячної енергії, покриття, які захищають фармацевтичні препарати від пошкоджень, спричинених світлом, вдосконалені сонцезахисні креми для кращого захисту шкіри від пошкоджень сонцем і навіть пристрої для маскування, кажуть дослідники. . Щоб перевірити це, команді спочатку довелося виготовити синтетичні брохосоми, що само по собі було серйозним завданням.

У своєму дослідженні 2017 року дослідники імітували деякі особливості брохосом, зокрема ямочки та їх розподіл, використовуючи синтетичні матеріали. Це дозволило їм почати розуміти оптичні властивості. Однак вони змогли зробити лише щось схоже на брохосоми, а не точну копію.

«Це перший раз, коли ми можемо створити точну геометрію природної брохосоми», — сказав Вонг, пояснивши, що дослідники змогли створити масштабні синтетичні копії структур брохосоми за допомогою передової технології 3D-друку.

Вони надрукували збільшену версію, яка мала розмір 20 000 нанометрів, або приблизно одну п’яту діаметра людської волосини. Дослідники точно відтворили форму та морфологію, а також кількість і розташування пор за допомогою 3D-друку, щоб виготовити все ще маленькі штучні брохосоми, які були достатньо великими, щоб охарактеризувати їх оптично.

Вони використовували інфрачервоний спектрометр із перетворенням мікро-Фур’є (FTIR), щоб дослідити, як брохосоми взаємодіють з інфрачервоним світлом різних довжин хвиль, допомагаючи дослідникам зрозуміти, як структури маніпулюють світлом.

Потім дослідники заявили, що вони планують вдосконалити виробництво синтетичних брохосом, щоб забезпечити виробництво в масштабі, ближчому до розміру природних брохосом. Вони також досліджуватимуть додаткові застосування для синтетичних брохосом, такі як шифрування інформації, де брохосомоподібні структури можуть використовуватися як частина системи шифрування, де дані видимі лише при певних довжинах світлових хвиль.

Ван зазначив, що їх робота з брохосомами демонструє цінність підходу до біоміметичного дослідження, коли вчені шукають натхнення в природі.

«Природа була хорошим учителем для вчених у розробці нових передових матеріалів», — сказав Ван. «У цьому дослідженні ми щойно зосередилися на одному виді комах, але існує ще багато дивовижних комах, які чекають на дослідження вчених, і вони можуть допомогти нам вирішити різні інженерні проблеми. Вони не просто помилки; вони натхнення».