At lave ultrasorte materialer, der ikke tynger tingene ned, overveje sommerfuglen

Sæt mod et stykke sort byggepapir, hankvæghjertesommerfuglens vinger ser endnu sortere ud end sorte.

"Nogle dyr har taget sort til det ekstreme, " sagde Alex Davis, en kandidatstuderende i laboratoriet hos Duke University biolog Sönke Johnsen.

Sommerfuglene, de studerer, er 10 til 100 gange mørkere end kul, frisk asfalt, sort fløjl og andre sorte hverdagsgenstande. Så lidt som 0,06 % af det lys, der rammer dem, reflekteres tilbage til øjet. Det nærmer sig de sorteste sorte belægninger lavet af mennesker for at hjælpe solpaneler med at absorbere mere energi fra solen, eller at line teleskoper for at reducere herreløst lys.

Alligevel opnår de denne lysfangende effekt ved hjælp af vingeskæl, der kun er et par mikrometer dybe, kun en brøkdel så tyk som de sorteste syntetiske belægninger.

I en undersøgelse i 10. marts-udgaven af ​​tidsskriftet Naturkommunikation , Duke-forskere rapporterer, at ultrasorte sommerfugle fra forskellige områder af kloden ser ud til at have konvergeret på det samme trick. Hemmeligheden bag at gøre sorte så mørke og lette, de siger, er ikke et overskud af melanin - pigmentet, der er ansvarligt for en kragefjer eller en sort kats pels. Det er en optisk illusion skabt af 3D-strukturen af ​​sommerfuglenes vingeskæl.

Lys går ind i deres vægt, men meget lidt af det hopper ud igen.

I undersøgelsen, Davis, Johnsen og Duke-professor Fred Nijhout brugte højopløsnings scanningselektronmikroskopi og computersimuleringer til at undersøge de mikroskopiske strukturer på vingerne af 10 arter af ultrasorte sommerfugle og fire almindelige sorte eller mørkebrune sommerfugle fra Central- og Sydamerika og Asien.

Sommerfuglevinger kan se glatte ud med det blotte øje. På tæt hold er det en anden historie. Forstørret tusindvis af gange, sommerfuglevinger er dækket af skæl med en mesh-lignende overflade af kamme og huller, der kanaliserer lys ind i vægtens svampede indre. der, søjle-lignende stråler af væv spreder lys, indtil det absorberes.

Indtil for nylig, forklaringen på nogle sorte sommerfugles utrolige lysabsorberende egenskaber var, at det skyldtes et bikagelignende mønster i de bittesmå huller på skællens overflade.

Men den nye undersøgelse antyder "det betyder ikke noget, " sagde Johnsen. Ved at se på sommerfugle fra fire underfamilier - det bredeste udvalg af ultrasorte sommerfugle, der er blevet undersøgt til dato - fandt holdet, at andre ultrasorte sommerfugle suger lignende mængder lys op ved hjælp af huller med en række forskellige former og størrelser , fra honningkager og rektangler til et chevronmønster.

Det viser sig, at de vigtigste forskelle mellem ultrasorte og almindelige sorte skæl ligger andre steder. Da de så på sommerfuglenes vinger under et elektronmikroskop, de fandt ud af, at både ultrasorte og almindelige sorte skæl har parallelle kamme på deres overflade og søjler indeni. Men kammene og søjlerne er dybere og tykkere i ultrasorte skæl sammenlignet med "normale" sorte skæl.

Da holdet efterlignede forskellige vingeskalaer i computersimuleringer, skæl, der mangler enten den rillede overflade eller indvendige søjler, reflekterede op til 16 gange mere lys. Det ville være som at gå fra ultrasort til mørkebrun, sagde Davis.

Denne 3-D-arkitektur er så god til at sluge lys, at de ultrasorte skæl stadig så sorte ud, selv når de er belagt med guld.

"Man kan næsten ikke få dem til at skinne, " sagde Davis.

Lignende dybe sorte er dukket op hos andre dyr, såsom påfugleedderkopper og paradisfugle, som vides at reflektere så lidt som 0,05 % af synligt lys.

Ingen af ​​disse naturlige skønheder er helt så mørke som de sorteste syntetiske sorte nogensinde, som absorberer mere end 99,99% af det indkommende lys ved hjælp af tætpakkede "skove" af kulstofnanorør, der er omkring 10 til 50 mikrometer høje. Men hvad gør sommerfugle interessante, siger forskerne, konkurrerer de med den bedste lysfangende nanoteknologi, ved hjælp af strukturer, der kun er en brøkdel så tykke.

Ultimativt, resultaterne kan hjælpe ingeniører med at designe tyndere ultrasorte belægninger, der reducerer strølys uden at tynge tingene ned, til anvendelser lige fra militær camouflage - til stealth-fly, der ikke kan ses om natten eller detekteres af radar - til rumteleskoper rettet mod besvime, fjerne stjerner.

Why ultra-black coloration has popped up again and again across the butterfly family tree is still unclear, Johnsen said.

The blackness on the wings of many male butterflies is darker than it is on their female counterparts, so one theory is it helps them show off to potential mates. The black regions always border white, colored, or iridescent patches, so the idea is they might work like a dark picture frame to make the brighter blotches pop.

"Artists have known for a long time that the same color can look very different on different backgrounds, " Johnsen said.

Det næste skridt, Davis said, is to figure out how many times butterflies have evolved ultra-black wings, and determine whether those species have anything in common that might help explain what favored the change.

"Why be so black?" Davis said. "We think it's likely some sort of signal to mates or maybe a predator. But there's a host of other possibilities, and we're hoping to clear that up."