Biologiska strukturer har ibland unika egenskaper som ingenjörer skulle vilja kopiera. Till exempel, många typer av insektsvingar fäller vatten, döda mikrober, reflekterar ljus på ovanliga sätt och är självrengörande. Medan forskare har dissekerat de fysiska egenskaperna som sannolikt bidrar till sådana egenskaper, en ny studie visar att de kemiska föreningarna som täcker cikadvingarna också bidrar till deras förmåga att stöta bort vatten och döda mikrober.

Forskarna rapporterar sina resultat i tidskriften Avancerade materialgränssnitt .

Forskarna tittade på de fysiska egenskaperna och kemiska egenskaperna hos vingarna på två cikadarter, Neotibicen pruinosus och Magicicada casinnii. N. pruinosus är en årlig cikada; M. casinnii kommer upp ur jorden en gång vart 17:e år. Tidigare studier har visat att båda arterna har ett mycket ordnat mönster av små pelare, kallas nanopelare, på sina vingar. Nanopelarna bidrar till vingarnas hydrofobicitet – de avger vatten bättre än en regnrock – och spelar sannolikt en roll i att döda mikrober som försöker fästa sig på vingarna.

"Vi visste mycket om ytstrukturen hos cikadvingar innan denna studie, men vi visste väldigt lite om kemin i dessa strukturer, sa Marianne Alleyne, en entomologiprofessor vid University of Illinois i Urbana-Champaign som ledde studien med analytisk kemist Jessica Román-Kustas, av Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico; Donald Cropek, från U.S. Army Corps of Engineers' Construction Engineering Research Laboratory; och Nenad Miljkovic, professor i mekanisk vetenskap och teknik vid Illinois.

För att studera nanopelarkemi, Román-Kustas utvecklade en metod för att gradvis extrahera föreningarna på ytan utan att skada vingarnas övergripande struktur. Hon placerade varje vinge i lösningsmedel i en sluten kammare och mikrovågade långsamt var och en.

"Vi extraherade alla dessa olika föreningar under olika tidsperioder, och sedan analyserade vi vad som kom ut, ", sa Román-Kustas. "Och vi tittade också på motsvarande förändringar i nanopelarstrukturen."

Ansträngningen avslöjade att cikadvingarna är belagda med en gryta av kolväten, fettsyror och syrehaltiga molekyler som steroler, alkoholer och estrar. De syrehaltiga molekylerna var vanligast djupare i nanopelarna, medan kolväten och fettsyror utgjorde fler av de yttersta nanopelarskikten.

"Att hitta dessa speciella molekyler på ytan är inte en överraskning, "Sade Alleyne. "Kolväten och fettsyror på insektsnagelband är ganska vanligt."

Förhållandet mellan ytkemikalier skilde sig mellan de två cikadaarterna, liksom deras nanopelarstrukturer.

Studien visade att förändring av ytkemikalierna också förändrade nanopelarstrukturen. Hos N. pruinosis cikadorna, nanopelarna började förskjutas i förhållande till varandra när kemikalierna extraherades, och senare skiftade tillbaka till en mer parallell konfiguration. Detta förändrade också vingarnas vätbarhet och antimikrobiella egenskaper.

Vingarna på M. cassinni-cikadorna hade kortare nanopelare och en högre andel hydrofoba föreningar på ytan. Deras nanopelarkonfigurationsorientering förändrades inte som ett resultat av att de extraherade ytkemikalierna.

Medan det är preliminärt, de nya rönen ger insikt i samspelet mellan struktur och kemi för att bestämma funktion, sa Alleyne. Genom att dissekera dessa egenskaper, forskarna hoppas att en dag designa konstgjorda strukturer med några av samma ytegenskaper. Hitta material som sprider vatten och dödar mikrober, till exempel, skulle vara användbart i många applikationer, från jordbruk till medicin, Hon sa.