Achtertuininsect inspireert onzichtbaarheidsapparaten, technologie van de volgende generatie

Leafhoppers, een veel voorkomend insect in de achtertuin, scheiden zich af en omhullen zichzelf met kleine mysterieuze deeltjes die zowel de inspiratie als de instructies zouden kunnen bieden voor de volgende generatie technologie, volgens een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van Penn State.

In een eerste poging repliceerde het team nauwkeurig de complexe geometrie van deze deeltjes, brochosomen genaamd, en verhelderde het een beter begrip van hoe ze zowel zichtbaar als ultraviolet licht absorberen.

Dit zou de ontwikkeling van bio-geïnspireerde optische materialen mogelijk kunnen maken met mogelijke toepassingen variërend van onzichtbare verhulapparaten tot coatings om efficiënter zonne-energie te oogsten, zegt Tak-Sing Wong, hoogleraar werktuigbouwkunde en biomedische technologie. Wong leidde de studie, die werd gepubliceerd in de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

De unieke, kleine deeltjes hebben een ongebruikelijke voetbalachtige geometrie met holtes, en hun exacte doel voor de insecten is sinds de jaren vijftig een mysterie voor wetenschappers. In 2017 leidde Wong het onderzoeksteam van Penn State dat als eerste een eenvoudige, synthetische versie van brochosomen creëerde in een poging hun functie beter te begrijpen.

“Deze ontdekking zou zeer nuttig kunnen zijn voor technologische innovatie”, zegt Lin Wang, postdoctoraal onderzoeker in de werktuigbouwkunde en hoofdauteur van het onderzoek. “Met een nieuwe strategie om de lichtreflectie op een oppervlak te reguleren, kunnen we misschien de thermische kenmerken van mensen of machines verbergen. Misschien kunnen mensen op een dag een thermische onzichtbaarheidsmantel ontwikkelen, gebaseerd op de trucs die sprinkhanen gebruiken. Ons werk laat zien hoe het begrijpen van de natuur kan ons helpen moderne technologieën te ontwikkelen.”

Wang legde verder uit dat hoewel wetenschappers al driekwart eeuw op de hoogte zijn van brochosoomdeeltjes, het maken ervan in een laboratorium een ​​uitdaging was vanwege de complexiteit van de geometrie van de deeltjes.

“Het is onduidelijk waarom de sprinkhanen deeltjes met zulke complexe structuren produceren,” zei Wang. “We zijn erin geslaagd deze brochosomen te maken met behulp van een hightech 3D-printmethode in het laboratorium. We ontdekten dat deze in het laboratorium gemaakte deeltjes licht kunnen verminderen.” reflectie tot 94%. Dit is een grote ontdekking omdat het de eerste keer is dat we de natuur zoiets zien doen, waarbij het licht op zo’n specifieke manier controleert met behulp van holle deeltjes.”

Theorieën over waarom sprinkhanen zichzelf bedekken met een brochosompantser variëren van het vrijhouden van verontreinigingen en water tot een superheldachtige onzichtbaarheidsmantel. Een nieuw begrip van hun geometrie brengt echter een sterke mogelijkheid met zich mee dat het hoofddoel ervan de mantel zou kunnen zijn om roofdieren te vermijden, aldus Tak-Sing Wong, hoogleraar werktuigbouwkunde en biomedische technologie en corresponderend auteur van de studie.

De onderzoekers hebben ontdekt dat de grootte van de gaten in het brochosoom, die het een hol, voetbalachtig uiterlijk geven, uiterst belangrijk is. De grootte is consistent bij alle soorten sprinkhanen, ongeacht de grootte van het lichaam van het insect. De brochosomen hebben een diameter van ongeveer 600 nanometer – ongeveer de helft van de grootte van een enkele bacterie – en de brochosomporiën zijn ongeveer 200 nanometer.

‘Dat doet ons een vraag stellen’, zei Wong. “Waarom deze consistentie? Wat is het geheim van brochosomen van ongeveer 600 nanometer met poriën van ongeveer 200 nanometer? Heeft dat een bepaald doel?”

De onderzoekers ontdekten dat het unieke ontwerp van brochosomen een tweeledig doel dient: het absorberen van ultraviolet (UV) licht, waardoor de zichtbaarheid voor roofdieren met UV-zicht, zoals vogels en reptielen, wordt verminderd, en het verstrooien van zichtbaar licht, waardoor een antireflecterend schild ontstaat tegen potentiële bedreigingen. De grootte van de gaten is perfect voor het absorberen van licht op de ultraviolette frequentie.

Dit zou potentieel kunnen leiden tot een verscheidenheid aan toepassingen voor mensen die synthetische brochosomen gebruiken, zoals efficiëntere systemen voor het oogsten van zonne-energie, coatings die farmaceutische producten beschermen tegen door licht veroorzaakte schade, geavanceerde zonnebrandmiddelen voor een betere huidbescherming tegen schade door de zon en zelfs verhulapparaten, aldus onderzoekers. . Om dit te testen moest het team eerst synthetische brochosomen maken, een grote uitdaging op zich.

In hun onderzoek uit 2017 bootsten de onderzoekers enkele kenmerken van brochosomen na, met name de kuiltjes en hun verspreiding, met behulp van synthetische materialen. Hierdoor konden ze de optische eigenschappen gaan begrijpen. Ze konden echter alleen iets maken dat op brochosomen leek, en niet op een exacte replica.

“Dit is de eerste keer dat we de exacte geometrie van het natuurlijke brochosoom kunnen maken”, zei Wong, en legde uit dat de onderzoekers op schaal synthetische replica’s van de brochosoomstructuren konden maken met behulp van geavanceerde 3D-printtechnologie.

Ze drukten een opgeschaalde versie af die 20.000 nanometer groot was, of ongeveer een vijfde van de diameter van een mensenhaar. De onderzoekers repliceerden nauwkeurig de vorm en morfologie, evenals het aantal en de plaatsing van de poriën met behulp van 3D-printen, om nog steeds kleine namaakbrochosomen te produceren die groot genoeg waren om optisch te karakteriseren.

Ze gebruikten een Micro-Fourier-transformatie-infraroodspectrometer (FTIR) om te onderzoeken hoe de brochosomen interageerden met infraroodlicht van verschillende golflengten, waardoor de onderzoekers konden begrijpen hoe de structuren het licht manipuleren.

Vervolgens zeiden de onderzoekers dat ze van plan zijn de fabricage van synthetische brochosomen te verbeteren om productie mogelijk te maken op een schaal die dichter bij de grootte van natuurlijke brochosomen ligt. Ze zullen ook aanvullende toepassingen voor synthetische brochosomen onderzoeken, zoals informatie-encryptie, waarbij brochosoomachtige structuren kunnen worden gebruikt als onderdeel van een encryptiesysteem waarbij gegevens alleen zichtbaar zijn onder bepaalde lichtgolflengten.

Wang merkte op dat hun brochosoomwerk de waarde aantoont van een biomimetische onderzoeksaanpak, waarbij wetenschappers voor inspiratie naar de natuur kijken.

“De natuur is een goede leermeester geweest voor wetenschappers om nieuwe geavanceerde materialen te ontwikkelen,” zei Wang. “In deze studie hebben we ons slechts op één insectensoort geconcentreerd, maar er zijn nog veel meer verbazingwekkende insecten die wachten op onderzoek door materiaalwetenschappers, en ze kunnen ons mogelijk helpen bij het oplossen van verschillende technische problemen. Het zijn niet alleen maar insecten ; het zijn inspiraties.”

Samen met Wong en Wang van Penn State omvatten andere onderzoekers aan het onderzoek Sheng Shen, hoogleraar werktuigbouwkunde, en Zhuo Li, promovendus in werktuigbouwkunde, beide aan de Carnegie Mellon University, die hebben bijgedragen aan de simulaties in dit onderzoek. Wang en Li hebben in gelijke mate bijgedragen aan dit werk, waarvoor de onderzoekers een Amerikaans voorlopig patent hebben aangevraagd.