2 января 2025 г.
5 минута чтения
Ученые-нанотехнологи использовали странные выделения насекомых, похожие на футбольный мяч, для создания гениального камуфляжа
Искусственные версии наноразмерных структур, похожих на футбольный мяч, называемых брохосомами, могут быть использованы для создания новых форм военного камуфляжа, самоочищающихся поверхностей или водородного топлива.
Научная фотобиблиотека/Alamy Stock Photo
В начале 1950-х годов биологи из Бруклинского колледжа использовали электронный микроскоп, чтобы выяснить, что цикадка, обычное насекомое размером с рисовое зерно и названное в честь одного из своих характерных признаков поведения, может быть агентом передачи вируса. В ходе своего исследования ученые случайно заметили: по их словам«некоторые ультрамикроскопические тела, до сих пор неописанные» на крыльях цикадок. В заметке 1953 г. в Бюллетень Бруклинского энтомологического обществаони назвали эти крохотные, сферические, похожие на гнездо структуры «брохосомами», в честь греческого слова, означающего «сетка сети».
С тех пор тонкая, но решительная линия ученых и инженеров создала гиперспециализацию, закреплённую на брохосомах. Этих исследователей привлекают эти точки высокоструктурированной материи биологические чудеса, которые они воплощают, и технологические возможности, которые предлагают их тщательно продуманные пористые формы и физические свойства. Поклонники брохосом без колебаний делятся своим восторгом от того, что столкнулись с таким эволюционным проявлением силы.
«Наша группа впервые заинтересовалась брохосомами примерно в 2015 году, ее привлекли их наноразмеры и сложная трехмерная геометрия, напоминающая бакибол», — говорит Так-Синг Вонгбиомедицинский и инженер-механик в Университете штата Пенсильвания. «Мы были поражены тем, как цикадки могут последовательно создавать такие сложные структуры на наноуровне, особенно учитывая, что даже с нашими самыми передовыми технологиями микро- и нанопроизводства нам все еще трудно достичь такой однородности и масштабируемости».
О поддержке научной журналистики
Если вам понравилась эта статья, рассмотрите возможность поддержать нашу отмеченную наградами журналистику, подписка. Приобретая подписку, вы помогаете обеспечить будущее влиятельных историй об открытиях и идеях, формирующих наш мир сегодня.
Как и любой другой, интересующийся этими структурами, Вонг работал над тем, чтобы направить свою зависть к брохосомам в создание кабинета технологических диковинок, основанных на способности брохосом поглощать определенные диапазоны видимых и ультрафиолетовых волн. Вонг вместе со своими партнерами из Пенсильванского университета и Университета Карнеги-Меллон получил два патента США, а также ожидает рассмотрения еще несколько процессов производства синтетических аналогов брохосом.
Вонг говорит, что синтетические брохосомы потенциально пригодны для ряда применений, включая антиотражающие и камуфляжные материалы, защиту от подделок, шифрование данных и тактику «оптической безопасности», при которой скрытая информация становится видимой только тогда, когда она освещена, скажем, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. свет. Исследователям удалось получить грант денег от Управления военно-морских исследованийкоторая всегда ищет следующий способ затруднить противникам обнаружение и отслеживание военно-морских кораблей, самолетов и других военных активов США.
Большая часть недавних исследований и разработок, вдохновленных брохосомами, во всем мире, отмечает Вонг, происходит из ультрапросветляющее улучшение, которое природные брохосомы добавляют к телу цикадок. Это не просто крутая оптическая физика: эта игра света делает насекомых незаметными на поверхности листьев, где голодные насекомые, птицы и пауки ищут добычу.
Некоторые исследования в области биологии брохосом показали, что эти естественные наноинновации состоят из белков и липидов, которые собираются в невидимые наносферы внутри специализированных отсеков мальпигиевых канальцев насекомых, которые представляют собой почки-выделительные органы. Задними лапами насекомые ухаживают за собой с помощью микрокапель, содержащих брохосомы, из ануса, в результате чего образуются светопоглощающие плащи, которые помогают им прожить еще один день.
Но наносферы хороши не только для сокрытия. В недавнем дополнении к растущему списку концепций и прототипов технологий, основанных на брохосомах, команда Вонга из Пенсильванского университета присоединилась к исследователям Университета Карнеги-Меллона под руководством инженера-механика. Шэн Шенс целью создания новых материалов не только для камуфляжа, но и для новых устройств безопасности и шифрования. Технология использует неспособность людей воспринимать инфракрасный свет.
Когда исследователи измеряли оптические и другие физические аспекты синтетических брохосом, они заметили, что «хотя эти структуры выглядели идентичными в видимом свете, они демонстрировали резкие контрасты в инфракрасных изображениях», — говорит Шен. И это породило идею технологии шифрования и безопасности, которую исследователи сейчас реализуют. Команда задается вопросом, возможно ли незаметно закодировать инфракрасную информацию в видимом спектре. Небольшая точка такого инфракрасно-активного брохосомального материала на банкноте может служить знаком подлинности и создать дополнительное препятствие для потенциальных фальшивомонетчиков.
Исследователи изучили полдюжины способов изготовления синтетических брохосом различных размеров и геометрии. Благодаря использованию различных полимерных, керамических и металлических материалов шкаф с технодиковинками, вдохновленными брохосомами, становится только более привлекательным.
Группа китайских исследователей, являющихся поклонниками брохосом, недавно сообщила о процессе создания яркого спектра частиц, придающих цвет, путем заполнения крошечных углублений — «наночаш» — на серебряных структурах брохосом крошечными полистироловыми сферами. Когда исследователи адаптировали размеры сфер с помощью точного метода травления, они смогли настроить электромагнитные взаимодействия между сферами и, тем самым, видимые цвета синтетических брохосомных структур. В АСУ Нано бумага В ходе исследования исследователи предположили, что это открыло путь к получению более долговечных и стабильных цветов по сравнению с химическими красками и пигментами с более коротким сроком действия.
Другая китайская исследовательская группа, пытаясь подражать мастерству маскировки хамелеонов, головоногих моллюсков и других существ, сфабриковала брохосомные структуры на основе оксида вольфрама которые становятся менее отражающими, когда их электрически стимулируют. Одной из возможных конечных точек этой работы могут стать энергосберегающие приложения — окна, которые смогут регулировать количество солнечной и тепловой энергии, проходящей через них в течение дня.
В еще более обширном и эклектичном списке дел светособирающие электроды который мог бы генерировать и собирать заряженные электроны для производства водородного топлива и самоочищающиеся поверхности которые могут отталкивать жидкости и клеи. Также в списке есть датчики, которые могут быть специально разработан для обнаружения специфических бактерий и белков для мониторинга окружающей среды и здравоохранения. Кроме того, существует перспектива создания частиц на основе брохосом, поры и поверхности которых можно было бы предназначен для перевозки конкретных лекарств для воздействия на ткани.
Перспективы кажутся огромными, но эра технологий, основанных на брохосомах, не является ближайшей перспективой. «Одним из основных препятствий на пути широкого использования синтетических брохосом является отсутствие масштабируемых технологий производства, поскольку их сложные трехмерные формы и наноразмеры по-прежнему сложно воспроизвести в масштабе», — предупреждает Вонг.
Независимо от того, дойдут ли конкретные технологии, основанные на брохосомах, до финиша или нет, Вонг говорит, что ему нравится делиться своей работой с членами семьи и друзьями, не являющимися учеными. «Они сразу же очаровываются красотой структур брохосом, напоминающих футбольный мяч», — говорит он. «Когда я объясняю, что структуры примерно в 100 раз тоньше диаметра волоса, они с трудом в это верят».
Тем временем Шен приветствует унизительный аспект этого исследовательского романа с брохосомами. «Это мощное напоминание о том, что инновации не всегда должны исходить от человеческой изобретательности», — говорит он. «Иногда природа уже решила проблемы, над которыми мы работаем».
