На фото цикадка G. serpenta. Линь Ван и др. изучал геометрические конструкции поверхностных покрытий тел цикадок. Цыганки производят брохосомы для покрытия поверхности своего тела, которые представляют собой полые наноскопические сфероиды в форме бакибола со сквозными отверстиями, распределенными по их поверхности. Авторы обнаружили, что сквозные отверстия этих полых бакиболлов играют важную роль в уменьшении отражения света. Это первый биологический пример, демонстрирующий коротковолновую низкочастотную просветляющую функцию, обеспечиваемую сквозными отверстиями и полыми структурами. Фото: Линь Ван и Так-Синг Вонг/Пенсильванский университет
Согласно новому исследованию, проведенному исследователями штата Пенсильвания, цикадки, обычное насекомое на приусадебном участке, выделяют и покрывают себя крошечными загадочными частицами, которые могут стать как источником вдохновения, так и инструкциями для технологий следующего поколения. Впервые команда точно воспроизвела сложную геометрию этих частиц, называемых брохосомами, и прояснила лучшее понимание того, как они поглощают как видимый, так и ультрафиолетовый свет.
Это может позволить разработать биоинспирированные оптические материалы с возможным применением, начиная от невидимых маскирующих устройств и заканчивая покрытиями для более эффективного сбора солнечной энергии, сказал Так-Синг Вонг, профессор машиностроения и биомедицинской инженерии. Вонг возглавил исследование, которое было опубликовано сегодня (18 марта) в журнале Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки (ПНАС).
Тайна брохосом раскрыта
Уникальные крошечные частицы имеют необычную геометрию, напоминающую футбольный мяч, с полостями, а их точное предназначение для насекомых было загадкой для ученых с 1950-х годов. В 2017 году Вонг возглавил исследовательскую группу штата Пенсильвания, которая первой создала базовую синтетическую версию брохосом, чтобы лучше понять их функцию.
На фото брохосомы, вырабатываемые цикадкой G. serpenta. Брохосомы представляют собой полые, наноскопические сфероиды в форме бакибола со сквозными отверстиями, расположенными по поверхности тела цикадки. Линь Ван и др. изучил связь между оптическими свойствами и геометрическим строением брохосом. Авторы обнаружили, что сквозные отверстия этих полых бакиболлов играют важную роль в уменьшении отражения света. Это первый биологический пример, демонстрирующий коротковолновую низкочастотную просветляющую функцию, обеспечиваемую сквозными отверстиями и полыми структурами. Фото: Линь Ван и Так-Синг Вонг/Пенсильванский университет
«Это открытие может быть очень полезным для технологических инноваций», — сказал Линь Ван, постдокторант в области машиностроения и ведущий автор исследования. «Благодаря новой стратегии регулирования отражения света на поверхности мы сможем скрыть тепловые следы людей или машин. Возможно, когда-нибудь люди смогут разработать тепловой плащ-невидимку, основанный на трюках, используемых цикадками. Наша работа показывает, как понимание природы может помочь нам в разработке современных технологий».
Далее Ван объяснил, что, хотя ученые знали о частицах брохосом уже три четверти века, их создание в лаборатории было сложной задачей из-за сложности геометрии частиц.
Понимание и репликация брохосом
«До сих пор неясно, почему цикадки производят частицы такой сложной структуры», — сказал Ван. «Нам удалось создать эти брохосомы с помощью высокотехнологичного метода 3D-печати в лаборатории. Мы обнаружили, что эти изготовленные в лаборатории частицы могут уменьшить отражение света до 94%. Это большое открытие, потому что мы впервые видим, как природа делает что-то подобное, когда она управляет светом таким специфическим способом, используя полые частицы».
Теории о том, почему цикадки покрывают себя брохосомной броней, варьируются от защиты их от загрязнений и воды до плаща-невидимки, напоминающего супергероев. Однако, по словам Так-Синг Вонга, профессора машиностроения и биомедицинской инженерии и автора исследования, новое понимание их геометрии дает большую вероятность того, что его основной целью может быть маскировка, позволяющая избегать хищников.
На фото массив микромасштабных синтетических брохосом, напечатанных на 3D-принтере. В природе цикадки производят брохосомы для покрытия поверхности своего тела, которые представляют собой полые наноскопические сфероиды в форме бакибола со сквозными отверстиями, распределенными по их поверхности. Линь Ван и др. изучили взаимосвязь между оптическими свойствами и геометрическим дизайном брохосом с использованием синтетических брохосом, напечатанных на 3D-принтере. Авторы обнаружили, что сквозные отверстия этих полых бакиболлов играют важную роль в уменьшении отражения света. Это первый биологический пример, демонстрирующий коротковолновую низкочастотную просветляющую функцию, обеспечиваемую сквозными отверстиями и полыми структурами. Фото: Линь Ван и Так-Синг Вонг/Пенсильванский университет
Исследователи обнаружили, что размер отверстий в брохосоме, которые придают ей полый вид, напоминающий футбольный мяч, чрезвычайно важен. Размер одинаков для всей цикадки. разновидность, независимо от размера тела насекомого. Брохосомы имеют диаметр примерно 600 нанометров — примерно вдвое меньше размера одной бактерии, а поры брохосом — около 200 нанометров.
«Это заставляет нас задаться вопросом», — сказал Вонг. «Откуда такая последовательность? В чем секрет наличия брохосом размером около 600 нанометров с порами размером около 200 нанометров? Это служит какой-то цели?»
Потенциальные применения и будущие направления
Исследователи обнаружили, что уникальная конструкция брохосом служит двойной цели — поглощению ультрафиолетового (УФ) света, что снижает видимость для хищников с ультрафиолетовым зрением, таких как птицы и рептилии, и рассеиванию видимого света, создавая антиотражающий щит от потенциальных угроз. Размер отверстий идеально подходит для поглощения света ультрафиолетовой частоты.
По словам исследователей, это потенциально может привести к множеству применений для людей, использующих синтетические брохосомы, таких как более эффективные системы сбора солнечной энергии, покрытия, защищающие фармацевтические препараты от повреждений, вызванных светом, усовершенствованные солнцезащитные кремы для лучшей защиты кожи от повреждения солнцем и даже маскировочные устройства, говорят исследователи. . Чтобы проверить это, команде сначала пришлось создать синтетические брохосомы, что само по себе является серьезной проблемой.
В своем исследовании 2017 года ученые имитировали некоторые особенности брохосом, в частности ямочки и их распределение, используя синтетические материалы. Это позволило им начать понимать оптические свойства. Однако им удалось создать только что-то похожее на брохосомы, а не точную копию.
«Это первый раз, когда мы можем создать точную геометрию естественной брохосомы», — сказал Вонг, объяснив, что исследователи смогли создать масштабные синтетические копии структур брохосомы с помощью передовой технологии 3D-печати.
Они напечатали увеличенную версию размером 20 000 нанометров, что составляет примерно одну пятую диаметра человеческого волоса. Исследователи точно воспроизвели форму и морфологию, а также количество и расположение пор с помощью 3D-печати, чтобы создать еще маленькие искусственные брохосомы, которые были достаточно большими, чтобы их можно было охарактеризовать оптически.
Они использовали инфракрасный спектрометр с преобразованием Микро-Фурье (FTIR), чтобы изучить, как брохосомы взаимодействуют с инфракрасным светом разных длин волн, что помогло исследователям понять, как структуры манипулируют светом.
Далее исследователи заявили, что планируют улучшить производство синтетических брохосом, чтобы обеспечить производство в масштабах, близких к размеру натуральных брохосом. Они также будут изучать дополнительные области применения синтетических брохосом, такие как шифрование информации, где структуры, подобные брохосомам, могут использоваться как часть системы шифрования, где данные видны только при определенных длинах волн света.
Ван отметил, что их работа над брошосомами демонстрирует ценность биомиметического исследовательского подхода, при котором ученые обращаются за вдохновением к природе.
«Природа стала хорошим учителем для учёных в разработке новых передовых материалов», — сказал Ван. «В этом исследовании мы сосредоточились только на одном виде насекомых, но есть еще много удивительных насекомых, которые ждут изучения учеными-материаловедами, и они могут помочь нам решить различные инженерные проблемы. Это не просто ошибки; они вдохновляют».
Ссылка: «Геометрический дизайн антирефлексивных брохосом цикадки», авторы Линь Ван, Чжо Ли, Шэн Шен и Так-Синг Вонг, 18 марта 2024 г., Труды Национальной академии наук.
DOI: 10.1073/pnas.2312700121
Помимо Вонга и Вана из штата Пенсильвания, в исследовании участвовали также Шэн Шен, профессор машиностроения, и Чжо Ли, докторант машиностроения из Университета Карнеги-Меллона, которые внесли свой вклад в моделирование в этом исследовании. Ван и Ли в равной степени внесли свой вклад в эту работу, на которую исследователи подали предварительный патент США. Управление военно-морских исследований поддержало это исследование.