Naturens mindste regnbuer, skabt af påfugleedderkopper, kan inspirere til ny optisk teknologi

Farvede australske påfugleedderkopper ( Maratus spp. ) fange selv de mest araknofobe seere med deres flamboyante frieri-udstillinger med forskellige og indviklede kropsfarver, mønstre, og bevægelser - alt sammen pakket i miniaturekroppe, der måler mindre end 5 mm i størrelse for mange arter. Imidlertid, disse skærme er ikke bare smukke at se på, de inspirerer også til nye måder for mennesker at producere farve i teknologi.

En art påfugledderkop - regnbuepåfugledderkoppen ( Maratus robinsoni ) - er særligt imponerende, fordi det viser et intenst regnbue-iriserende signal i hannernes frieri til hunnerne. Dette er det første kendte tilfælde i naturen af ​​hanner, der bruger en hel regnbue af farver til at lokke hunner til at parre sig. Men hvordan laver hannerne deres regnbuer?

At finde ud af svaret var i sagens natur tværfagligt, så Dr. Bor-Kai Hsiung - nu postdoc ved Scripps Institution of Oceanography ved University of California San Diego - samlede et hold, der omfattede biologer, fysikere og ingeniører, mens han var ph.d. studerende ved The University of Akrons (UA) Integrated Bioscience Ph.D. program under mentorskab af Dr. Todd Blackledge og Dr. Matthew Shawkey (nu ved University of Gent), og støttet af UA's Biomimicry Research and Innovation Center. Holdet omfattede forskere fra USA - UA, Scripps Institution of Oceanography, California Institute of Technology (Caltech), og University of Nebraska-Lincoln (UNL) - Belgien (University of Gent), Holland (University of Groningen), og Australien for at opdage, hvordan regnbuepåfugleedderkopper producerer dette unikke iriserende signal.

Holdet undersøgte edderkoppens fotoniske strukturer ved hjælp af teknikker, der inkluderede lys- og elektronmikroskopi, hyperspektral billeddannelse, billeddiagnostisk scatterometri og optisk modellering for at generere hypoteser om, hvordan edderkoppens skala genererer så intense regnbuer. Holdet brugte derefter banebrydende nano 3D-print til at fremstille forskellige prototyper for at teste og validere deres hypoteser. Til sidst, holdet fandt ud af, at den intense regnbue-iriscens opstod fra specialiserede abdominale skæl på edderkopperne. Disse skalaer kombinerer en bærefladelignende mikroskopisk 3D-kontur med nanoskala diffraktionsgitterstrukturer på overfladen. Det er samspillet mellem overfladenano-diffraktionsgitteret og skalaernes mikroskopiske krumning, der muliggør adskillelse og isolering af lys i dets komponentbølgelængder ved finere vinkler og mindre afstande, end det er muligt med nuværende ingeniørteknologier.

"Hvem vidste, at sådan et lille væsen ville skabe sådan en intens iris ved hjælp af ekstremt sofistikerede mekanismer, der vil inspirere optiske ingeniører, " sagde Dr. Dimitri Deheyn med begejstring under et interview. Deheyn er postdoc mentor for Hsiung ved Scripps Oceanography og medforfatter af denne forskning.

For Hsiung, opdagelsen var ikke helt så uventet. "Et af de vigtigste spørgsmål, som jeg ønskede at tage fat på i min ph.d.-afhandling, var 'hvordan modulerer naturen iriscens?' Fra et biomimik perspektiv, fuldt ud at forstå og besvare et spørgsmål, man skal tage ekstremer fra begge ender i betragtning. Derfor, Jeg valgte målrettet at studere disse små edderkopper med intens iris efter at have undersøgt de ikke-iriserende blå taranteller, " sagde Hsiung.

Mekanismen bag disse små regnbuer kan inspirere til ny farveteknologi, men ville ikke være blevet opdaget uden forskning, der kombinerer grundlæggende naturhistorie med fysik og teknik.

"At samle så forskellig forskningsekspertise for at forstå naturens utrolige mangfoldighed og derefter anvende den viden på menneskelig teknologi er præcis, hvad UA's Biomimicry Research and Innovation Center handler om, " sagde Blackledge.

"Vi glemmer nogle gange, at matematiske optiske modeller, mens kritiske værktøjer, er hypoteser, der skal testes, " svarede Shawkey, når de bliver spurgt om, hvordan denne forskning kan ændre den måde, forskere undersøger biologiske fotoniske strukturer i fremtiden. "Nanoskala 3D-printing gav os mulighed for eksperimentelt at validere vores modeller, hvilket var rigtig spændende. Vi håber, at disse teknikker vil blive almindelige i fremtiden."

"Som ingeniør Det, jeg fandt fascinerende ved disse edderkop-strukturfarver, er, hvordan disse længe udviklede komplekse strukturer stadig kan udkonkurrere menneskelig teknik, " tilføjede Dr. Radwanul Hasan Siddique, en postdoc ved Caltech og medforfatter til denne forskning. "Selv med avancerede fremstillingsteknikker, vi kunne ikke kopiere de nøjagtige strukturer. Jeg undrer mig over, hvordan edderkopperne samler disse fancy strukturelle mønstre i første omgang!"

Inspiration fra disse supeririserende edderkoppeskalaer kan bruges til at overvinde strømbegrænsninger i spektral manipulation, og at reducere størrelsen af ​​optiske spektrometre til applikationer, hvor finskala spektral opløsning er påkrævet i en meget lille pakke, især instrumenter til rummissioner, eller bærbare kemikaliedetektionssystemer.

Til sidst, påfugleedderkopper producerer ikke kun naturens mindste regnbuer, de kan også få konsekvenser for en bred vifte af områder lige fra biovidenskab og bioteknologi til materialevidenskab og ingeniørvidenskab.