2 января 2025 г.
5 минута чтения
Ученые-нанотехнологи используют странные выделения насекомых, похожие на футбольные мячи, для создания гениального камуфляжа
Искусственные версии наноструктур, напоминающих футбольные мячи, называемые 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 с помощью электронного микроскопа обнаружили, что цикадка, обычное насекомое размером с рисовое зернышко, названное в честь одного из своих характерных особенностей поведения, может быть агентом передачи вируса. В ходе своих исследований ученые заметили: по их словам«некие ультрамикроскопические тела, до сих пор неописанные», на крыльях цикадок. В записке 1953 г. в Бюллетень Бруклинского энтомологического обществаОни назвали эти крошечные сферические структуры в форме гнезда «брохосомами», в честь греческого слова, означающего «сетка сети».
С тех пор тонкая, но решительная группа ученых и инженеров создала сверхспециализацию, основанную на брохосомах. Этих исследователей привлекают эти части высокоструктурированной материи биологическими чудесами, которые они воплощают, и технологическими возможностями, предлагаемыми их сложной пористой формой и физическими свойствами. Поклонники брохосом без колебаний делятся своей радостью по поводу достижения такого эволюционного успеха.
«Наша группа впервые заинтересовалась брохосомами примерно в 2015 году, ее привлекли их наноразмеры и сложная трехмерная геометрия, напоминающая бакибол», — объясняет Так-Синг Вонгбиомедицинский и инженер-механик в Университете штата Пенсильвания. «Мы были поражены тем, как цикадки могут последовательно создавать такие сложные структуры на наноуровне, тем более 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, пожалуйста, 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 стремился направить свою зависть к брохосомам на 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-Меллона получил два патента США, а также ожидает рассмотрения еще нескольких на процессы создания синтетических эквивалентов брохосом.
Вонг говорит, что синтетические брохосомы потенциально подходят для ряда применений, включая антибликовые и камуфляжные материалы, защиту от подделок, шифрование данных и тактику «оптической безопасности», при которой скрытая информация не становится видимой только при освещении, например. инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. свет. Исследователям удалось собрать субсидировать деньги Управления военно-морских исследованийкоторая всегда ищет новый способ затруднить противникам обнаружение и отслеживание военных кораблей, самолетов и других военных средств США.
Большая часть недавних мировых исследований и разработок, вдохновленных брохосомами, отмечает Вонг, связана с ультраантибликовое усиление, которое природные брохосомы придают телу цикадок. Это не просто простая оптическая физика: эта игра света заставляет насекомых незаметно подкрадываться к поверхности листьев, где голодные насекомые, птицы и пауки ищут добычу.
Некоторые исследования брохосомальной биологии показали, что эти естественные наноновации состоят из белков и липидов, которые собираются в скрытые наносферы внутри специализированных отсеков мальпигиевых канальцев насекомых, которые представляют собой органы выделения, напоминающие почки. Задними лапами насекомые полностью очищают себя микрокапельками, наполненными брохосомами, из заднего прохода, в результате чего образуются светопоглощающие накидки, помогающие им прожить еще один день.
Но наносферы предназначены не только для сокрытия. Недавно добавленная к растущему списку концепций и прототипов технологий, основанных на брохосомах, команда Вонга из Пенсильванского университета присоединилась к исследователям из Университета Карнеги-Меллона под руководством инженера-механика. Шэн Шенс целью предоставить новые материалы не только для камуфляжа, но и для новых устройств безопасности и шифрования. Технология эксплуатирует неспособность людей воспринимать инфракрасный свет.
Когда исследователи измеряли оптические и 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, над которой сейчас работают исследователи. Команда задается вопросом, можно ли незаметно закодировать инфракрасную информацию в видимом спектре. Небольшая точка такой инфракрасно-активной брохосомы на валюте может служить знаком подлинности и стать дополнительным препятствием для потенциальных фальшивомонетчиков.
Исследователи исследовали полдюжины способов получения синтетических брохосом разных размеров и геометрии. Благодаря использованию различных полимерных, керамических и металлических материалов шкаф с технодиковинками, вдохновленными брохосомами, становится только более привлекательным.
Группа китайских исследователей, любящих брохосомы, недавно сообщила о процессе создания яркого спектра частиц, придающих цвет, путем заполнения крошечных углублений – пространств «наночаш» – на серебряных брохосомальных структурах крошечными полистироловыми сферами. Когда исследователи подгоняли размер сфер с помощью точного метода травления, они смогли изменить электромагнитные взаимодействия между сферами и, следовательно, видимые цвета синтетических брохосомальных структур. В АСУ Нано бумага В ходе реализации своей стратегии создания цвета исследователи предположили, что она открывает путь к производству более стойких и стабильных цветов по сравнению с химическими красками и пигментами с более коротким сроком действия.
Другая китайская исследовательская группа, пытаясь подражать подвигам хамелеонов, головоногих моллюсков и других существ, сделала структуры брохосом на основе оксида вольфрама которые становятся менее отражающими при электрической стимуляции. Возможной конечной точкой этой работы могут стать энергосберегающие приложения, то есть окна, которые смогут регулировать количество солнечной и тепловой энергии, проходящей через них в течение дня.
В еще более обширный и эклектичный список дел входят: светособирающие электроды который мог бы генерировать и объединять заряженные электроны, чтобы сделать водород в качестве топлива и самоочищающиеся поверхности которые могут отталкивать жидкости и клеи. Также в списке есть датчики, которые могут быть предназначен 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 определенных лекарств для воздействия на ткани.
Перспективы кажутся огромными, но эра брохосомальных технологий не является ближайшей перспективой. «Одним из главных препятствий на пути широкого использования синтетических брохосом является отсутствие масштабируемых технологий производства, поскольку их сложные трехмерные формы и наноразмеры по-прежнему трудно воспроизвести в больших масштабах», — предупреждает Вонг.
Независимо от того, дойдут ли конкретные технологии, основанные на брохосомах, до финиша, Вонг говорит, что ему нравится делиться своей работой с членами семьи и друзьями, не являющимися учеными. «Они сразу же очаровываются красотой напоминающих футбольный мяч структур брохосом», — говорит он. «Когда я объясняю, что структуры примерно в 100 раз тоньше диаметра волоса, им трудно в это поверить».
Между тем, 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. »
