De små hårstråna på silvermyror från Sahara har avgörande adaptiva egenskaper som gör att myrorna kan reglera sin kroppstemperatur och överleva de brännande varma förhållandena i deras ökenmiljö. Enligt en ny forskningsartikel publicerad i tidskriften Vetenskap , den unika triangulära formen och inre strukturen hos hårstråna spelar en nyckelroll för att hålla myrans genomsnittliga inre temperatur under det kritiska termiska maximumet på 53,6 grader Celsius (128,48 grader Fahrenheit) för det mesta trots Saharas middagstemperaturer som kan nå upp till 70 grader C (158°F).

Pappret, publicerad av Columbia Engineering forskare och samarbetspartners – inklusive forskare från US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory – beskriver hur hårstrånas struktur i nanoskala hjälper till att öka reflektionsförmågan hos myrans kropp i både synliga och nära-infraröda våglängder, låta insekterna avleda solstrålning som deras kroppar annars skulle absorbera. Håren ökar också emissiviteten i det mellaninfraröda spektrumet, låter värmen avledas effektivt från myrornas heta kropp till det svala, klar himmel. Columbia Engineering har mer om forskarnas resultat.

För att studera hur hårstråna låter varelserna kontrollera elektromagnetiska vågor på detta sätt, forskargruppen Columbia Engineering ledd av Nanfang Yu behövde se inuti dessa nanoskala strukturer och förstå deras funktioner. De vände sig till de resurser och expertis som fanns tillgänglig vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility på närliggande Long Island.

Att arbeta med och ta emot utbildning från CFN:s Fernando Camino, en medförfattare till artikeln i Science, och Matthew Sfeir, Yus grupp utförde avbildningsstudier med hjälp av CFN:s Dual Scanning Electron Microscope (SEM)/Focused Ion Beam (FIB) system och Fourier Transform Spectrometer/Microscope. För systemet med dubbla strålar, Camino arbetade direkt med tidningens huvudförfattare, Norman Nan Shi.

"Mitt bidrag var att träna Shi att använda det här verktyget och ge honom förmågan att leka med parametrarna tills vi kunde lyckas karakterisera hårets struktur, sa Camino.

I ett typiskt experiment som involverar biologiskt material som hårstrån i nanoskala, det skulle vanligtvis vara tillräckligt att använda ett elektronmikroskop för att skapa en bild av provets yta. Denna forskning, dock, krävde att Yus grupp tittade in i myrhåren och producerade ett tvärsnitt av strukturens inre. Den relativt svaga elektronstrålen från ett standardelektronmikroskop skulle inte kunna penetrera provets yta.

CFN:s system med dubbla strålar löser problemet genom att kombinera avbildningen av ett elektronmikroskop med en mycket kraftfullare stråle av galliumjoner. Med 31 protoner och 38 neutroner, varje galliumjon är cirka 125, 000 gånger mer massiv än en elektron, och tillräckligt massiv för att skapa bucklor i strukturen i nanoskala – som att kasta en sten mot en vägg. Forskarna använde dessa kraftfulla balkar för att borra exakta snitt i hårstrån, avslöjar den avgörande informationen gömd under ytan. Verkligen, denna speciella applikation, där systemet användes för att undersöka ett biologiskt problem, var ny för teamet på CFN.

"Konventionellt, detta verktyg används för att producera tvärsnitt av mikroelektroniska kretsar, " sa Camino. "Den fokuserade jonstrålen är som ett etsverktyg. Du kan tänka på det som ett fräsverktyg i en maskinverkstad, men på nanoskala. Det kan ta bort material på specifika platser eftersom du kan se dessa platser med SEM. Så lokalt tar du bort material och du tittar på de underliggande lagren, eftersom snitten ger dig tillgång till tvärsnittet av vad du vill titta på."

Myrhårforskningen utmanade CFN-teamet att komma med nya lösningar för att undersöka de interna strukturerna utan att skada de mer känsliga biologiska proverna.

"Dessa hårstrån är väldigt mjuka jämfört med säga, halvledare eller kristallina material. Och det finns mycket lokal värme som kan skada biologiska prover. Så parametrarna måste justeras noggrant för att inte göra mycket skada på den, ", sa han. "Vi var tvungna att anpassa vår teknik för att hitta rätt förutsättningar."

En annan utmaning låg i att hantera den så kallade laddningseffekten. När dubbelstrålesystemet tränas på ett icke-ledande material, elektroner kan byggas upp vid den punkt där strålarna träffar provet, förvränga den resulterande bilden. Teamet på CFN kunde lösa detta problem genom att placera tunna lager av guld över det biologiska materialet, gör provet precis tillräckligt ledande för att undvika laddningseffekten.

Avslöjande reflektivitet

Medan Caminos team fokuserade på att hjälpa Yus grupp att undersöka strukturen på myrhåren, Matthew Sfeirs arbete med Fourier-transformspektroskopi med hög ljusstyrka hjälpte till att avslöja hur hårstrånas reflektionsförmåga hjälpte Saharas silvermyror att reglera temperaturen. Sfeirs spektrometer avslöjade exakt hur mycket dessa biologiska strukturer reflekterar ljus över flera våglängder, inklusive både synligt och nära-infrarött ljus.

"Det är en multiplexerad mätning, " sa Sfeir, förklarar sitt lags spektrometer. "Istället för att ställa in den här våglängden och den här våglängden, den våglängden, du gör dem alla i ett svep för att få all spektral information i ett skott. Det ger dig mycket snabba mätningar och mycket bra upplösning spektralt. Sedan optimerar vi det för mycket små prover. Det är en ganska unik förmåga hos CFN."

Sfeirs spektroskopiarbete bygger på kunskap från hans arbete vid en annan viktig Brookhaven-anläggning:den ursprungliga National Synchrotron Light Source, där han gjorde mycket av sitt postdokarbete. Hans erfarenhet var särskilt användbar för att analysera reflektiviteten hos de biologiska strukturerna över många olika våglängder av det elektromagnetiska spektrumet.

"Denna teknik utvecklades utifrån min erfarenhet av att arbeta med infraröda synkrotronstrålar, ", sa Sfeir. "Synkrotronstrållinjer är optimerade för just den här typen av saker. Jag trodde, 'Hallå, skulle det inte vara bra om vi kunde utveckla en liknande mätning för den typ av solenergiapparater vi gör på CFN?' Så vi byggde en bänkversion att använda här."

Det är förmågan att ta kunskap från en domän och tillämpa den någon annanstans – ofta på oväntade sätt – som gör det möjligt för externa användare att komma till Brookhaven med nya forskningsfrågor, arbeta med experterna på CFN för att ta reda på hur man kan tackla dessa frågor, och lämna med de eftersökta svaren.

"På CFN, vårt syfte är att föra användare till den punkt där de kan göra sin egen forskning, bli självständig, " sa Camino. "Det är vår filosofi:Vi tar med oss ​​de verktyg och den kunskap som användarna behöver, så att de kan fortsätta arbeta självständigt."