Undersøgelse afslører unikke fysiske, kemiske egenskaber af cikadevinger

Biologiske strukturer har nogle gange unikke egenskaber, som ingeniører gerne vil kopiere. For eksempel, mange typer insektvinger kaster vand, dræbe mikrober, reflekterer lys på usædvanlige måder og er selvrensende. Mens forskere har dissekeret de fysiske egenskaber, der sandsynligvis bidrager til sådanne egenskaber, en ny undersøgelse afslører, at de kemiske forbindelser, der dækker cikadevinger, også bidrager til deres evne til at afvise vand og dræbe mikrober.

Forskerne rapporterer deres resultater i tidsskriftet Avancerede materialegrænseflader .

Forskerne så på de fysiske egenskaber og kemiske egenskaber ved vingerne på to cikadearter, Neotibicen pruinosus og Magicicada casinnii. N. pruinosus er en enårig cikade; M. casinnii dukker op af jorden en gang hvert 17. år. Tidligere undersøgelser har vist, at begge arter har et højt ordnet mønster af små søjler, kaldet nanopillars, på deres vinger. Nanopillerne bidrager til vingernes hydrofobicitet – de udskiller vand bedre end en regnfrakke – og spiller sandsynligvis en rolle i at dræbe mikrober, der forsøger at binde sig til vingerne.

"Vi vidste meget om overfladestrukturen af ​​cikadevinger før denne undersøgelse, men vi vidste meget lidt om kemien i disse strukturer, sagde Marianne Alleyne, en entomologiprofessor ved University of Illinois i Urbana-Champaign, der ledede undersøgelsen med analytisk kemiker Jessica Román-Kustas, af Sandia National Laboratories i Albuquerque, Ny mexico; Donald Cropek, fra U.S. Army Corps of Engineers' Construction Engineering Research Laboratory; og Nenad Miljkovic, en professor i mekanisk videnskab og teknik ved Illinois.

At studere nanopillar kemi, Román-Kustas udviklede en metode til gradvist at udtrække forbindelserne på overfladen uden at beskadige den overordnede struktur af vingerne. Hun placerede hver vinge i opløsningsmiddel i et lukket kammer og mikrobølgede langsomt hver enkelt.

"Vi ekstraherede alle disse forskellige forbindelser over forskellige tidsperioder, og så analyserede vi, hvad der kom ud, " sagde Román-Kustas. "Og vi så også på de tilsvarende ændringer i nanopillarstrukturen."

Indsatsen afslørede, at cikadevinger er belagt med en gryderet af kulbrinter, fedtsyrer og iltholdige molekyler som steroler, alkoholer og estere. De oxygenholdige molekyler var mest udbredt dybere i nanopillerne, mens kulbrinter og fedtsyrer udgjorde flere af de yderste nanopillarlag.

"At finde disse særlige molekyler på overfladen er ikke en overraskelse, " sagde Alleyne. "Hydrocarboner og fedtsyrer på insektkutikula er ret almindeligt."

Forholdet mellem overfladekemikalier var forskelligt mellem de to cikadearter, ligesom deres nanopillar-strukturer.

Undersøgelsen afslørede, at ændring af overfladekemikalierne også ændrede nanopillarstrukturen. I N. pruinosis cikaderne, nanopillerne begyndte at skifte i forhold til hinanden, efterhånden som kemikalierne blev udvundet, og skiftede senere tilbage til en mere parallel konfiguration. Dette ændrede også vingernes fugtbarhed og antimikrobielle egenskaber.

M. cassinni cikadernes vinger havde kortere nanopiller og en højere andel af hydrofobe forbindelser på deres overflade. Deres nanopillar-konfigurationsorientering ændrede sig ikke som følge af udvinding af deres overfladekemikalier.

Mens den er foreløbig, de nye resultater giver indsigt i samspillet mellem struktur og kemi i funktionsbestemmelse, sagde Alleyne. Ved at dissekere disse karakteristika, forskerne håber på en dag at designe kunstige strukturer med nogle af de samme overfladetræk. At finde materialer, der udskiller vand og dræber mikrober, for eksempel, ville være nyttig i mange applikationer, fra landbrug til medicin, hun sagde.