Gevlochten nanostructuren onthullen 3D -tapijt achter levendige groene vlinderkleuring

De metamorfose van vlinders van larven tot poppen tot volwassenheid is een natuurlijk wonder. Door de ontwikkelingsprocessen te onderzoeken die plaatsvinden binnen de pupa en het in een vlinder omzetten, hebben wetenschappers een nieuwe wending ontdekt in een proces dat een ingewikkelde nanostructuur vormt die verantwoordelijk is voor de levendige groene kleuren van hun vleugels.

De vlinder in kwestie is de smaragdgroene veeheart (Parides Sesostris), een neotropische vlinder gevonden in Gamboa, Panama. Poppen werden grootgebracht bij het Smithsonian Tropical Research Institute en weefselmonsters werden geëxtraheerd uit de zich ontwikkelende vleugels.

De vleugels van deze soort bevatten de Gyroid, een poreus nanomateriaal op basis van een zeer symmetrisch driedimensionaal netwerk. Wanneer het wordt gerealiseerd in de schalen van de veeheartvlinder, werkt het als een fotonisch kristal en genereert het de onderscheidende groene kleuring door een structureel interferentiemechanisme dat geen chemische pigmenten vereist.

Tot nu toe geloofden wetenschappers dat Gyroid -structuren een soepel intern oppervlak hadden. Maar nieuw onderzoek van Murdoch University, de Universiteit van West -Australië en internationale collega’s, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciencesontdekte de vleugelschalen die zijn ontwikkeld als een structuur geweven uit vezels – zoals een vlecht of touw – de algemeen aangenomen veronderstelling dat ze als soepele constructen vormen.

Dr. Annie Jessop, de hoofdauteur van de studie, zei dat de bevindingen een extra fase van ontwikkeling suggereerden tijdens vleugelschaalgroei die nog niet eerder was waargenomen.

“Wat we hebben gevonden, is dat de gyroid in de zich ontwikkelende schalen helemaal niet soepel is, het lijkt op een vlecht of een touw. Zo klein dat je een elektronenmicroscoop nodig hebt om het te zien,” zei ze.

“Maar wanneer de vlinder volledig is ontwikkeld, is het weven niet langer zichtbaar en lijkt de structuur soepel. Hoe dat gebeurt is het volgende stuk van deze puzzel die we moeten oplossen.”

Universitair hoofddocent Peta-clode, van het centrum van UWA voor microscopiekarakterisering en analyse, zei dat de ontdekking van een tussenstadium tijdens de vorming van vleugelschaal het paradigma veranderde voor hoe complexe netwerkachtige structuren zich vormen in vlinders en insecten.

“Het is nog steeds onduidelijk hoe hoog geordende structuren zoals deze zich snel in een cel ontwikkelen en uiteindelijk complexe vleugelschalen vormen,” zei ze. “We hopen hier meer licht op te werpen met ons toekomstige werk met behulp van nieuwe en interdisciplinaire beeldvorming en analytische benaderingen.”

Dr. Jessop zei dat buiten het buitengewone vermogen van de vlindersoorten om ingewikkelde nanoshapes te vormen, de studie brede relevantie had vanwege de alomtegenwoordigheid van de gyroid -structuur in de natuur.

“Structuren zoals de Gyroid zijn wijdverbreid in ingewikkelde binnencellulaire membranen en andere weefselstructuren in alle koninkrijken van het leven. Toch begrijpen we hun vorming en functie niet volledig.

“Wat ons tegenhoudt, is de moeilijkheid om deze structuren in vivo te bestuderen. Het opzetten van de Parides-vlinder als modelsysteem helpt ons bredere begrip van het gebruik van de natuur van gyroid-achtige structuren.”

Professor Gerd Schröder-Turk, van de School of Mathematics, Statistics, Chemistry and Physics aan de Murdoch University, zei dat het aantonen dat een weven van vezels in een Gyroid niet alleen theoretisch mogelijk was, maar een realiteit in functioneel weefsel, waarschijnlijk nieuw onderzoek zou inspireren over biologische, synthetische en bio-geïnspireerde materiaalsystemen.

“De vindingrijkheid van de natuur bij het maken van geweldige vormen is eindeloos. Wanneer we denken dat we haar wegen begrijpen, onthult ze nog een ander mooi mysterie,” zei hij.

“Er is zoveel van aard om ideeën te inspireren voor functionele nanomaterialen. De basis voor die kennisvertaling is begrijpen waarom en hoe de natuur deze nanostructuren gebruikt. We proberen precies dat te doen.”