Bländande trollslända vingar kan skicka poeter rapsodiserande, men forskare längtar efter en bättre förståelse. Särskilt, de vill veta kemin i de olika lager som ger upphov till naturliga fotoniska kristaller som hjälper till att skapa färg.

Nu, ett samarbete mellan brasilianska forskare från Federal University of Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasilien, har slagit sig ihop med Minnesota-experter inom kemisk ytavbildning på Physical Electronics, Inc. (PHI) för att förbrylla färgmekanismen hos Amazonas glittrande trollslända (Chalcopteryx rutilans).

Utredarna kommer att presentera sina molekylära ytavbildningsresultat och analyser under AVS 64:e internationella symposium och utställning 29 oktober-nov. 3, 2017, i Tampa, Florida. De analyserade både transparenta och färgade vingar för att korrelera med elektronmikroskopi och optiska resultat.

Färgerna på glittervingen spänner över det synliga spektrumet med skimrande rött, blå, och gula/gröna områden på vingarna, vars källa de hoppas hitta.

Brasilianska utredare fick partiella svar på denna fråga med hjälp av elektronmikroskopimetoder för svepelektronmikroskopi (SEM) och transmissionselektronmikroskopi (TEM). Att undersöka glittervingarnas färgmekanik avslöjade att de iriserande vingarna har flera alternerande lager med olika elektroniska tätheter. Variationen av lokal färg var relaterad till antalet och tjockleken på lagren, som förändrades över vingen.

Även om mätning av tjockleken och antalet lager var lätt att uppnå med elektronmikroskopi, tillvägagångssättet kunde inte karakterisera kemin hos de olika skikten som ger upphov till dessa naturliga fotoniska kristaller. För att helt förstå färgmekanismen, de behövde mäta kemiska strukturer i vingen.

Genom att samarbeta med Minnesota-kollegor på PHI, de mätte den faktiska kemin i vingstrukturen med en avancerad molekylär ytavbildningsteknik känd som Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS). Denna extremt känsliga ytanalysteknik kan avslöja mycket detaljerade molekylära och elementära data om ytor, tunna lager och gränssnitt i både 2-D och 3-D. TOF-SIMS kan användas för att undersöka 3D-strukturen och kemin hos en mängd olika organiska och oorganiska material, både syntetiska och naturligt förekommande.

Bland de mest intressanta fynden som teamet upptäckt är att de periodiska förändringarna i lokala elektrondensiteter kan motsvara variationer i natrium (Na) och kalium (K) koncentrationer genom tjockleken på vingen. De kunde inte hitta några liknande fynd i litteraturen, dock.

David M. Carr, ingenjör och senior vetenskapsman vid PHI, belyser betydelsen av naturens ingenjörskonst och dess tillämpningar i teknikutvecklingen.

"Naturen kan ofta ge exempel på tekniska lösningar. Hela området för biomimik ägnas åt att lära av naturen för potentiella lösningar på svåra tekniska problem, ", sa Carr. "Varje naturligt prov har unika egenskaper och mycket att lära oss."