Насекомое вдохновило ученых на создание технологий нового поколения

Согласно новому исследованию, цикадки (кузнечики-листоеды), выделяют и покрывают себя крошечными загадочными частицами, которые могут стать как источником вдохновения, так и инструкциями для технологий следующего поколения. Впервые ученые точно воспроизвели сложную геометрию этих частиц, называемых брохосомами, и прояснили лучшее понимание того, как они поглощают как видимый, так и ультрафиолетовый свет.

Это может позволить разработать оптические материалы с возможным применением, начиная от маскирующих устройств и заканчивая покрытиями для более эффективного сбора солнечной энергии.

Уникальные крошечные частицы имеют необычную геометрию, напоминающую футбольный мяч, с полостями, а их точное предназначение для насекомых было загадкой для ученых с 1950-х годов.

«Это открытие может быть очень полезным для технологических инноваций», — сказал Линь Ван, ведущий автор исследования. «Благодаря новой стратегии регулирования отражения света на поверхности мы сможем скрыть тепловые следы людей или машин. Возможно, когда-нибудь люди смогут разработать тепловой плащ-невидимку, основанный на трюках, используемых цикадками. Наша работа показывает, как понимание природы может помочь нам в разработке новых технологий».

Хотя ученые знали о частицах брохосом уже три четверти века, их создание в лаборатории было трудной задачей из-за сложности геометрии частиц.

«До сих пор неясно, почему цикадки производят частицы такой сложной структуры», — сказал Ван. «Нам удалось создать брохосомы с помощью высокотехнологичного метода 3D-печати в лаборатории. Мы обнаружили, что эти изготовленные в лаборатории частицы могут уменьшить отражение света до 94%. Это большое открытие, потому что мы впервые видим, как природа делает что-то подобное, когда она управляет светом таким специфическим способом, используя полые частицы».

Теории о том, почему цикадки покрывают себя брохосомной броней, варьируются от защиты их от загрязнений и воды до плаща-невидимки, напоминающего плащ супергероя. Однако, по словам Так-Синг Вонга, профессора машиностроения и биомедицинской инженерии и автора исследования, новое понимание их геометрии дает большую вероятность того, что его основной целью может быть маскировка, позволяющая избегать хищников.

Исследователи обнаружили, что размер отверстий в брохосоме, которые придают ей полый вид, напоминающий футбольный мяч, чрезвычайно важен. Размер одинаков у всех видов цикадок, независимо от размера тела насекомого. Брохосомы имеют диаметр примерно 600 нанометров — примерно вдвое меньше размера одной бактерии — а поры брохосом составляют около 200 нанометров.

«Это заставляет нас задаться вопросом», — сказал Вонг. «Откуда такая последовательность? В чем секрет наличия брохосом размером около 600 нанометров с порами размером около 200 нанометров? Это служит какой-то цели?»

Исследователи обнаружили, что уникальная конструкция брохосом служит двойной цели — поглощению ультрафиолетового (УФ) света, что снижает видимость для хищников с ультрафиолетовым зрением, таких как птицы и рептилии, и рассеиванию видимого света, создавая антиотражающий щит от потенциальных угроз. Размер отверстий идеально подходит для поглощения света ультрафиолетовой частоты.

По словам исследователей, это потенциально может привести к множеству применений для людей, использующих синтетические брохосомы, таких как более эффективные системы сбора солнечной энергии, покрытия, защищающие фармацевтические препараты от повреждений, вызванных светом, усовершенствованные солнцезащитные кремы для лучшей защиты кожи от повреждения солнцем и даже маскировочные устройства.

Ученые отметили, что их работа над брошосомами демонстрирует ценность биомиметического исследовательского подхода, при котором они обращаются к природе за вдохновением.

«Природа стала хорошим учителем для нас в разработке новых передовых материалов», — сказал Линь Ван. «В этом исследовании мы сосредоточились только на одном виде насекомых, но есть еще много удивительных существ, которые ждут изучения учеными-материаловедами, и они могут помочь нам решить различные инженерные проблемы».

Исследование было опубликовано в журнале PNAS.