Videnskab
 Science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Baggårdsinsekt inspirerer usynlighedsenheder, næste generations teknologi

På billedet er brochosomer produceret af bladhopperen G. serpenta. Brochosomer er hule, nanoskopiske, buckyball-formede sfæroider med gennemgående huller fordelt på bladhoppernes kropsoverflader. Lin Wang et al. studeret forholdet mellem de optiske egenskaber og de geometriske design af brochosomerne. Forfatterne fandt ud af, at de gennemgående huller i disse hule buckyballs spiller en vigtig rolle i at reducere refleksionen af ​​lys. Dette er det første biologiske eksempel, der viser kortbølgelængde, lavpas antireflektionsfunktionalitet muliggjort af gennemgående huller og hule strukturer. Kredit:Lin Wang og Tak-Sing Wong/Penn State

Bladhoppere, et almindeligt insekt i baghaven, udskiller og beklæder sig selv i små mystiske partikler, der kunne give både inspiration og instruktioner til næste generations teknologi, ifølge en ny undersøgelse ledet af Penn State-forskere.



I en første gentagelse gentog holdet præcist den komplekse geometri af disse partikler, kaldet brochosomer, og belyste en bedre forståelse af, hvordan de absorberer både synligt og ultraviolet lys.

Dette kunne tillade udviklingen af ​​bioinspirerede optiske materialer med mulige anvendelser lige fra usynlige tilsløringsanordninger til belægninger for mere effektivt at høste solenergi, sagde Tak-Sing Wong, professor i maskinteknik og biomedicinsk teknik. Wong ledede undersøgelsen, som blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

De unikke, bittesmå partikler har en usædvanlig fodboldlignende geometri med hulrum, og deres præcise formål med insekterne har været noget af et mysterium for videnskabsmænd siden 1950'erne. I 2017 ledede Wong forskerholdet i Penn State, der var det første til at skabe en grundlæggende, syntetisk version af brochosomer i et forsøg på bedre at forstå deres funktion.

"Denne opdagelse kan være meget nyttig for teknologisk innovation," sagde Lin Wang, postdoc i maskinteknik og hovedforfatter af undersøgelsen. "Med en ny strategi til at regulere lysrefleksion på en overflade, vil vi måske være i stand til at skjule de termiske signaturer fra mennesker eller maskiner. Måske kunne folk en dag udvikle en termisk usynlighedskappe baseret på de tricks, som bladhopperne bruger. Vores arbejde viser, hvordan man forstår naturen kan hjælpe os med at udvikle moderne teknologier."

Wang fortsatte med at forklare, at selvom forskerne har kendt til brochosompartikler i trekvart århundrede, har det været en udfordring at lave dem i et laboratorium på grund af kompleksiteten af ​​partiklens geometri.

"Det har været uklart, hvorfor bladhopperne producerer partikler med så komplekse strukturer," sagde Wang, "Vi formåede at lave disse brochosomer ved hjælp af en højteknologisk 3D-printmetode i laboratoriet. Vi fandt ud af, at disse laboratoriefremstillede partikler kan reducere lyset reflektion med op til 94 % Dette er en stor opdagelse, fordi det er første gang, vi har set naturen gøre sådan noget, hvor den styrer lyset på en så specifik måde ved hjælp af hule partikler."

På billedet ses en bladhopper G. serpenta. Lin Wang et al. studerede de geometriske design af overfladebelægningerne på bladhopperkroppe. Bladhoppere producerer brochosomer til at belægge deres kropsoverflader, som er hule, nanoskopiske, buckyball-formede kugler med gennemgående huller fordelt over deres overflader. Forfatterne fandt ud af, at de gennemgående huller i disse hule buckyballs spiller en vigtig rolle i at reducere refleksionen af ​​lys. Dette er det første biologiske eksempel, der viser kortbølgelængde, lavpas antireflektionsfunktionalitet muliggjort af gennemgående huller og hule strukturer. Kredit:Lin Wang og Tak-Sing Wong/Penn State

Teorier om, hvorfor bladhoppere beklæder sig selv med en brochosom panser, har varieret fra at holde dem fri for forurenende stoffer og vand til en superhelte-lignende usynlighedskappe. Men en ny forståelse af deres geometri rejser en stærk mulighed for, at dens hovedformål kunne være kappen for at undgå rovdyr, ifølge Tak-Sing Wong, professor i maskinteknik og biomedicinsk teknik og tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Forskerne har fundet ud af, at størrelsen på de huller i brochosomen, der giver den et hult, fodboldlignende udseende, er ekstremt vigtigt. Størrelsen er konsistent på tværs af bladhopperarter, uanset størrelsen på insektets krop. Brochosomerne er omkring 600 nanometer i diameter - omkring halvdelen af ​​størrelsen af ​​en enkelt bakterie - og brochosomporerne er omkring 200 nanometer.

"Det får os til at stille et spørgsmål," sagde Wong. "Hvorfor denne konsistens? Hvad er hemmeligheden ved at have brochosomer på omkring 600 nanometer med omkring 200 nanometer porer? Har det et formål?"

Forskerne fandt ud af, at brochosomernes unikke design tjener et dobbelt formål - at absorbere ultraviolet (UV) lys, som reducerer synlighed for rovdyr med UV-syn, såsom fugle og krybdyr, og spredning af synligt lys, hvilket skaber et anti-reflekterende skjold mod potentielle trusler. Størrelsen på hullerne er perfekt til at absorbere lys ved den ultraviolette frekvens.

Dette kan potentielt føre til en række anvendelser for mennesker, der bruger syntetiske brochosomer, såsom mere effektive solenergi-høstsystemer, belægninger, der beskytter lægemidler mod lys-induceret skade, avancerede solcremer til bedre hudbeskyttelse mod solskader og endda tilsløringsanordninger, sagde forskere. . For at teste dette skulle holdet først lave syntetiske brochosomer, en stor udfordring i sig selv.

I deres 2017-undersøgelse efterlignede forskerne nogle træk ved brochosomer, især fordybningerne og deres fordeling, ved hjælp af syntetiske materialer. Dette gjorde det muligt for dem at begynde at forstå de optiske egenskaber. Men de var kun i stand til at lave noget, der lignede brochosomer, ikke en nøjagtig kopi.

"Dette er første gang, vi er i stand til at lave den nøjagtige geometri af det naturlige brochosom," sagde Wong og forklarede, at forskerne var i stand til at skabe skalerede syntetiske replikaer af brochosomstrukturerne ved at bruge avanceret 3D-printteknologi.

Afbildet er en række 3D-printede syntetiske brochosomer i mikroskala. I naturen producerer bladhoppere brochosomer til at belægge deres kropsoverflader, som er hule, nanoskopiske, buckyball-formede kugler med gennemgående huller fordelt over deres overflader. Lin Wang et al. undersøgte forholdet mellem de optiske egenskaber og de geometriske design af brochosomerne ved hjælp af 3D-printede syntetiske brochosomer. Forfatterne fandt ud af, at de gennemgående huller i disse hule buckyballs spiller en vigtig rolle i at reducere refleksionen af ​​lys. Dette er det første biologiske eksempel, der viser kortbølgelængde, lavpas antireflektionsfunktionalitet muliggjort af gennemgående huller og hule strukturer. Kredit:Lin Wang og Tak-Sing Wong/Penn State

De trykte en opskaleret version, der var 20.000 nanometer i størrelse, eller omkring en femtedel af diameteren af ​​et menneskehår. Forskerne replikerede præcist formen og morfologien samt antallet og placeringen af ​​porer ved hjælp af 3D-print for at producere stadig små kunstige brochosomer, der var store nok til at karakterisere optisk.

De brugte et Micro-Fourier transform infrarødt (FTIR) spektrometer til at undersøge, hvordan brochosomerne interagerede med infrarødt lys af forskellige bølgelængder, og hjalp forskerne med at forstå, hvordan strukturerne manipulerer lyset.

Dernæst sagde forskerne, at de planlægger at forbedre fremstillingen af ​​syntetiske brochosomer for at muliggøre produktion i en skala tættere på størrelsen af ​​naturlige brochosomer. De vil også udforske yderligere applikationer til syntetiske brochosomer, såsom informationskryptering, hvor brochosomlignende strukturer kunne bruges som en del af et krypteringssystem, hvor data kun er synlige under bestemte lysbølgelængder.

Wang bemærkede, at deres brochosome arbejde viser værdien af ​​en biomimetisk forskningstilgang, hvor videnskabsmænd ser på naturen for at få inspiration.

"Naturen har været en god lærer for videnskabsmænd til at udvikle nye avancerede materialer," sagde Wang. "I denne undersøgelse har vi netop fokuseret på én insektart, men der er mange flere fantastiske insekter derude, som venter på, at materialeforskere studerer, og de kan måske hjælpe os med at løse forskellige tekniske problemer. De er ikke bare fejl.; de er inspirationer."

Sammen med Wong og Wang fra Penn State omfatter andre forskere i undersøgelsen Sheng Shen, professor i maskinteknik, og Zhuo Li, doktorgradskandidat i maskinteknik, begge ved Carnegie Mellon University, som bidrog til simuleringerne i denne undersøgelse. Wang og Li bidrog lige så meget til dette arbejde, som forskerne har indgivet et amerikansk foreløbigt patent på.

Flere oplysninger: Wong, Tak-Sing, Geometrisk design af antireflekterende bladhopperbrochosomer, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2312700121. doi.org/10.1073/pnas.2312700121

Leveret af Pennsylvania State University




Sidste artikel

Næste artikel

Varme artikler
Sprog: French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Videnskab © https://da.scienceaq.com