Le cicaline, un comune insetto da cortile, secernono e si ricoprono di minuscole particelle misteriose che potrebbero fornire sia l’ispirazione che le istruzioni per la tecnologia di prossima generazione, secondo un nuovo studio condotto da ricercatori della Penn State. In un primo momento, il team ha replicato con precisione la complessa geometria di queste particelle, chiamate brocosomi, e ha chiarito una migliore comprensione di come assorbono sia la luce visibile che quella ultravioletta.
Ciò potrebbe consentire lo sviluppo di materiali ottici bioispirati con possibili applicazioni che vanno dai dispositivi di occultamento invisibile ai rivestimenti per raccogliere in modo più efficiente l’energia solare, ha affermato Tak-Sing Wong, professore di ingegneria meccanica e ingegneria biomedica. Wong ha condotto lo studio, che è stato pubblicato oggi (18 marzo) nel Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze degli Stati Uniti d’America (PNAS).
Le minuscole particelle uniche hanno un’insolita geometria simile a un pallone da calcio con cavità, e il loro esatto scopo per gli insetti è stato un mistero per gli scienziati sin dagli anni ’50. Nel 2017, Wong ha guidato il gruppo di ricerca della Penn State che è stato il primo a creare una versione sintetica di base dei brocosomi nel tentativo di comprenderne meglio la funzione.
“Questa scoperta potrebbe essere molto utile per l’innovazione tecnologica”, ha affermato Lin Wang, studioso post-dottorato in ingegneria meccanica e autore principale dello studio. “Con una nuova strategia per regolare la riflessione della luce su una superficie, potremmo essere in grado di nascondere le tracce termiche degli esseri umani o delle macchine. Forse un giorno le persone potrebbero sviluppare un mantello dell’invisibilità termica basato sui trucchi usati dalle cicaline. Il nostro lavoro mostra come comprendere la natura può aiutarci a sviluppare tecnologie moderne.”
Wang ha continuato spiegando che anche se gli scienziati conoscono le particelle di brocosoma da tre quarti di secolo, realizzarle in laboratorio è stata una sfida a causa della complessità della geometria delle particelle.
“Non è chiaro perché le cicaline producano particelle con strutture così complesse”, ha detto Wang, “Siamo riusciti a realizzare questi brocosomi utilizzando un metodo di stampa 3D ad alta tecnologia in laboratorio. Abbiamo scoperto che queste particelle prodotte in laboratorio possono ridurre la luce”. riflessione fino al 94%. Questa è una grande scoperta perché è la prima volta che vediamo la natura fare qualcosa di simile, dove controlla la luce in un modo così specifico utilizzando particelle cave.”
Le teorie sul perché le cicaline si ricoprono di un’armatura di brochosoma spaziano dal mantenerle libere da contaminanti e acqua a un mantello dell’invisibilità simile a un supereroe. Tuttavia, una nuova comprensione della loro geometria solleva una forte possibilità che il suo scopo principale possa essere quello di un mantello per evitare i predatori, secondo Tak-Sing Wong, professore di ingegneria meccanica e ingegneria biomedica e autore corrispondente dello studio.
I ricercatori hanno scoperto che la dimensione dei fori nel brocosoma che gli conferiscono un aspetto cavo, simile a un pallone da calcio, è estremamente importante. La dimensione è coerente tra le specie di cicaline, indipendentemente dalle dimensioni del corpo dell’insetto. I brocosomi hanno un diametro di circa 600 nanometri – circa la metà delle dimensioni di un singolo batterio – e i pori dei brocosomi sono di circa 200 nanometri.
“Questo ci fa porre una domanda”, ha detto Wong. “Perché questa consistenza? Qual è il segreto per avere brocosomi di circa 600 nanometri con pori di circa 200 nanometri? Serve a qualche scopo?”
I ricercatori hanno scoperto che il design unico dei brocosomi ha un duplice scopo: assorbire la luce ultravioletta (UV), che riduce la visibilità dei predatori con visione UV, come uccelli e rettili, e diffondere la luce visibile, creando uno scudo antiriflesso contro potenziali minacce. . La dimensione dei fori è perfetta per assorbire la luce alla frequenza ultravioletta.
Ciò potrebbe potenzialmente portare a una varietà di applicazioni per gli esseri umani che utilizzano brocosomi sintetici, come sistemi più efficienti di raccolta dell’energia solare, rivestimenti che proteggono i prodotti farmaceutici dai danni indotti dalla luce, filtri solari avanzati per una migliore protezione della pelle dai danni del sole e persino dispositivi di occultamento, hanno detto i ricercatori. . Per testarlo, il team ha dovuto prima creare brocosomi sintetici, una sfida importante di per sé.
Nel loro studio del 2017, i ricercatori hanno imitato alcune caratteristiche dei brocosomi, in particolare le fossette e la loro distribuzione, utilizzando materiali sintetici. Ciò ha permesso loro di iniziare a comprendere le proprietà ottiche. Tuttavia, sono stati in grado di creare solo qualcosa che assomigliava a brocosomi, non una replica esatta.
“Questa è la prima volta che siamo in grado di realizzare l’esatta geometria del brocosoma naturale”, ha detto Wong, spiegando che i ricercatori sono stati in grado di creare repliche sintetiche in scala delle strutture del brocosoma utilizzando la tecnologia avanzata di stampa 3D.
Hanno stampato una versione ingrandita di 20.000 nanometri, ovvero circa un quinto del diametro di un capello umano. I ricercatori hanno replicato con precisione la forma e la morfologia, nonché il numero e il posizionamento dei pori utilizzando la stampa 3D, per produrre finti brocosomi ancora piccoli che erano abbastanza grandi da poter essere caratterizzati otticamente.
Hanno utilizzato uno spettrometro a infrarossi a trasformata Micro-Fourier (FTIR) per esaminare come i brocosomi interagivano con la luce infrarossa di diverse lunghezze d’onda, aiutando i ricercatori a capire come le strutture manipolano la luce.
Successivamente, i ricercatori hanno affermato che intendono migliorare la fabbricazione dei brocosomi sintetici per consentire la produzione su una scala più vicina alle dimensioni dei brocosomi naturali. Esploreranno anche ulteriori applicazioni per i brocosomi sintetici, come la crittografia delle informazioni, in cui strutture simili a brocosomi potrebbero essere utilizzate come parte di un sistema di crittografia in cui i dati sono visibili solo a determinate lunghezze d’onda della luce.
Wang ha osservato che il loro lavoro sui brocosomi dimostra il valore di un approccio di ricerca biomimetica, in cui gli scienziati cercano ispirazione nella natura.
“La natura è stata una buona maestra per gli scienziati nello sviluppo di nuovi materiali avanzati”, ha detto Wang. “In questo studio, ci siamo concentrati solo su una specie di insetti, ma ci sono molti altri insetti sorprendenti là fuori che aspettano che gli scienziati dei materiali li studino e potrebbero essere in grado di aiutarci a risolvere vari problemi di ingegneria. Non sono solo insetti ; sono ispirazioni.”
Insieme a Wong e Wang della Penn State, altri ricercatori coinvolti nello studio includono Sheng Shen, professore di ingegneria meccanica, e Zhuo Li, dottorando in ingegneria meccanica, entrambi alla Carnegie Mellon University, che hanno contribuito alle simulazioni di questo studio. Wang e Li hanno contribuito in egual misura a questo lavoro, per il quale i ricercatori hanno depositato un brevetto provvisorio negli Stati Uniti. L’Ufficio di ricerca navale ha sostenuto questa ricerca.
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