Leafhoppers, en vanlig bakgårdsinsekt, utsöndrar och belägger sig i små mystiska partiklar som kan ge både inspiration och instruktioner för nästa generations teknologi, enligt en ny studie ledd av forskare från Penn State.
I en första replikerade teamet exakt den komplexa geometrin hos dessa partiklar, kallade brochosomer, och klargjorde en bättre förståelse för hur de absorberar både synligt och ultraviolett ljus.
Detta kan möjliggöra utvecklingen av bioinspirerade optiska material med möjliga tillämpningar som sträcker sig från osynliga cloaking-anordningar till beläggningar för att mer effektivt skörda solenergi, säger Tak-Sing Wong, professor i maskinteknik och biomedicinsk teknik. Wong ledde studien, som publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences .
De unika, små partiklarna har en ovanlig fotbollsliknande geometri med håligheter, och deras exakta syfte för insekterna har varit något av ett mysterium för forskare sedan 1950-talet. Under 2017 ledde Wong forskargruppen i Penn State som var först med att skapa en grundläggande, syntetisk version av brochosomer i ett försök att bättre förstå deras funktion.
"Denna upptäckt kan vara mycket användbar för teknisk innovation", säger Lin Wang, postdoktor i maskinteknik och huvudförfattare till studien. "Med en ny strategi för att reglera ljusreflektion på en yta kan vi kanske dölja de termiska signaturerna hos människor eller maskiner. Kanske skulle människor en dag kunna utveckla en termisk osynlighetsmantel baserat på de knep som används av lövhoppare. Vårt arbete visar hur man förstår naturen kan hjälpa oss att utveckla modern teknik."
Wang fortsatte med att förklara att även om forskare har känt till brochosompartiklar i tre fjärdedelar av ett sekel, har det varit en utmaning att tillverka dem i ett labb på grund av partikelns geometris komplexitet.
"Det har varit oklart varför bladhopparna producerar partiklar med så komplexa strukturer," sa Wang, "Vi lyckades tillverka dessa brochosomer med en högteknologisk 3D-utskriftsmetod i labbet. Vi fann att dessa labbtillverkade partiklar kan minska ljuset reflektion med upp till 94 %. Detta är en stor upptäckt eftersom det är första gången vi har sett naturen göra något liknande, där den styr ljuset på ett så specifikt sätt med hjälp av ihåliga partiklar."
Teorier om varför lövhoppare belägger sig med en brochosomrustning har varierat från att hålla dem fria från föroreningar och vatten till en superhjälteliknande osynlighetsmantel. En ny förståelse av deras geometri väcker dock en stor möjlighet att dess huvudsakliga syfte kan vara kappan för att undvika rovdjur, enligt Tak-Sing Wong, professor i maskinteknik och biomedicinsk teknik och motsvarande författare till studien.
Forskarna har funnit att storleken på hålen i brochosomen som ger den ett ihåligt, fotbollsliknande utseende är oerhört viktigt. Storleken är konsekvent över lövhoppararter, oavsett storleken på insektens kropp. Brochosomerna är ungefär 600 nanometer i diameter – ungefär hälften så stora som en enda bakterie – och brochosomporerna är ungefär 200 nanometer.
"Det får oss att ställa en fråga," sa Wong. "Varför denna konsistens? Vad är hemligheten med att ha brochosomer på cirka 600 nanometer med cirka 200 nanometer porer? Har det något syfte?"
Forskarna fann att den unika designen av brokosomer tjänar ett dubbelt syfte - att absorbera ultraviolett (UV) ljus, vilket minskar synligheten för rovdjur med UV-seende, såsom fåglar och reptiler, och sprider synligt ljus, vilket skapar en antireflekterande sköld mot potentiella hot. Storleken på hålen är perfekt för att absorbera ljus vid den ultravioletta frekvensen.
Detta kan potentiellt leda till en mängd olika applikationer för människor som använder syntetiska brokosomer, såsom effektivare solenergiskördssystem, beläggningar som skyddar läkemedel från ljusinducerade skador, avancerade solskyddsmedel för bättre hudskydd mot solskador och till och med maskeringsanordningar, sa forskare. . För att testa detta måste teamet först tillverka syntetiska brochosomer, en stor utmaning i sig.
I sin studie från 2017 efterliknade forskarna vissa egenskaper hos brochosomer, särskilt gropar och deras distribution, med hjälp av syntetiska material. Detta gjorde det möjligt för dem att börja förstå de optiska egenskaperna. Men de kunde bara göra något som såg ut som brochosomer, inte en exakt kopia.
"Detta är första gången vi kan göra den exakta geometrin för den naturliga brochosomen," sa Wong och förklarade att forskarna kunde skapa skalade syntetiska kopior av brochosomstrukturerna genom att använda avancerad 3D-utskriftsteknik.
De tryckte en uppskalad version som var 20 000 nanometer stor, eller ungefär en femtedel av diametern på ett människohår. Forskarna replikerade exakt formen och morfologin, såväl som antalet och placeringen av porer med hjälp av 3D-utskrift, för att producera fortfarande små falska brochosomer som var tillräckligt stora för att karakterisera optiskt.
De använde en Micro-Fourier transform infraröd (FTIR) spektrometer för att undersöka hur brochosomerna interagerade med infrarött ljus av olika våglängder, vilket hjälpte forskarna att förstå hur strukturerna manipulerar ljuset.
Därefter sa forskarna att de planerar att förbättra tillverkningen av syntetiska brochosomer för att möjliggöra produktion i en skala närmare storleken på naturliga brochosomer. De kommer också att utforska ytterligare applikationer för syntetiska brochosomer, såsom informationskryptering, där brochosomliknande strukturer kan användas som en del av ett krypteringssystem där data bara är synliga under vissa ljusvåglängder.
Wang noterade att deras brochosoma arbete visar värdet av en biomimetisk forskningsmetod där forskare ser till naturen för inspiration.
"Naturen har varit en bra lärare för forskare att utveckla nya avancerade material," sa Wang. "I den här studien har vi precis fokuserat på en insektsart, men det finns många fler fantastiska insekter där ute som väntar på att materialforskare ska studera, och de kanske kan hjälpa oss att lösa olika tekniska problem. De är inte bara insekter; de är inspirationer."
Tillsammans med Wong och Wang från Penn State inkluderar andra forskare i studien Sheng Shen, professor i maskinteknik, och Zhuo Li, doktorand i maskinteknik, båda vid Carnegie Mellon University, som bidrog till simuleringarna i denna studie. Wang och Li bidrog lika mycket till detta arbete, för vilket forskarna har lämnat in ett amerikanskt provisoriskt patent.
Mer information: Wong, Tak-Sing, Geometrisk design av antireflekterande bladhopparbrokoser, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2312700121. doi.org/10.1073/pnas.2312700121
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
