Hinterhofinsekten inspirieren Unsichtbarkeitsgeräte und Technologien der nächsten Generation

Laut einer neuen Studie von Forschern der Penn State University scheiden Zikaden, ein weit verbreitetes Hinterhofinsekt, aus und überziehen sich mit winzigen, geheimnisvollen Partikeln, die sowohl als Inspiration als auch als Anleitung für die Technologie der nächsten Generation dienen könnten.

Zunächst replizierte das Team die komplexe Geometrie dieser Partikel, sogenannte Brochosomen, präzise und lieferte ein besseres Verständnis dafür, wie sie sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht absorbieren.

Dies könnte die Entwicklung bioinspirierter optischer Materialien mit möglichen Anwendungen ermöglichen, die von unsichtbaren Tarnvorrichtungen bis hin zu Beschichtungen zur effizienteren Gewinnung von Sonnenenergie reichen, sagte Tak-Sing Wong, Professor für Maschinenbau und Biomedizintechnik. Wong leitete die Studie, die im veröffentlicht wurde Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Die einzigartigen, winzigen Partikel haben eine ungewöhnliche fußballähnliche Geometrie mit Hohlräumen, und ihr genauer Zweck für die Insekten ist für Wissenschaftler seit den 1950er Jahren ein Rätsel. Im Jahr 2017 leitete Wong das Forschungsteam der Penn State University, das als erstes eine grundlegende, synthetische Version von Brochosomen entwickelte, um deren Funktion besser zu verstehen.

„Diese Entdeckung könnte für technologische Innovationen sehr nützlich sein“, sagte Lin Wang, Postdoktorand im Maschinenbau und Hauptautor der Studie. „Mit einer neuen Strategie zur Regulierung der Lichtreflexion auf einer Oberfläche könnten wir möglicherweise die thermischen Signaturen von Menschen oder Maschinen verbergen. Vielleicht könnten Menschen eines Tages einen thermischen Unsichtbarkeitsumhang entwickeln, der auf den Tricks von Zikaden basiert. Unsere Arbeit zeigt, wie man die Natur versteht.“ kann uns bei der Entwicklung moderner Technologien helfen.“

Wang erklärte weiter, dass die Herstellung von Brochosomenpartikeln im Labor aufgrund der Komplexität der Partikelgeometrie eine Herausforderung darstelle, obwohl Wissenschaftler seit einem Dreivierteljahrhundert über Brochosomenpartikel Bescheid wüssten.

„Es war unklar, warum die Zikaden Partikel mit so komplexen Strukturen produzieren“, sagte Wang. „Es ist uns gelungen, diese Brochosomen mithilfe einer High-Tech-3D-Druckmethode im Labor herzustellen. Wir haben herausgefunden, dass diese im Labor hergestellten Partikel Licht reduzieren können.“ Reflexion um bis zu 94 %. Das ist eine große Entdeckung, denn es ist das erste Mal, dass wir so etwas in der Natur beobachten, bei dem sie das Licht mithilfe von Hohlpartikeln auf so spezifische Weise steuert.“

Theorien darüber, warum Zikaden sich mit einer Brochosomenpanzerung bedecken, reichen von der Abwehr von Verunreinigungen und Wasser bis hin zu einem Superhelden-ähnlichen Tarnumhang. Laut Tak-Sing Wong, Professor für Maschinenbau und Biomedizintechnik und korrespondierender Autor der Studie, lässt ein neues Verständnis ihrer Geometrie jedoch die starke Wahrscheinlichkeit erkennen, dass ihr Hauptzweck die Tarnung zur Abwehr von Raubtieren sein könnte.

Die Forscher haben herausgefunden, dass die Größe der Löcher im Brochosom, die ihm ein hohles, fußballähnliches Aussehen verleihen, äußerst wichtig ist. Die Größe ist bei allen Zikadenarten gleich, unabhängig von der Körpergröße des Insekts. Die Brochosomen haben einen Durchmesser von etwa 600 Nanometern – etwa halb so groß wie ein einzelnes Bakterium – und die Brochosomenporen sind etwa 200 Nanometer groß.

„Das bringt uns dazu, eine Frage zu stellen“, sagte Wong. „Warum diese Konsistenz? Was ist das Geheimnis von Brochosomen von etwa 600 Nanometern mit etwa 200 Nanometer großen Poren? Hat das einen Zweck?“

Die Forscher fanden heraus, dass das einzigartige Design von Brochosomen einem doppelten Zweck dient: Sie absorbieren ultraviolettes (UV) Licht, das die Sichtbarkeit für Raubtiere mit UV-Sicht wie Vögel und Reptilien verringert, und streuen sichtbares Licht, wodurch ein Antireflexionsschutz gegen potenzielle Bedrohungen entsteht. Die Größe der Löcher ist perfekt, um Licht im ultravioletten Frequenzbereich zu absorbieren.

Dies könnte möglicherweise zu einer Vielzahl von Anwendungen für Menschen führen, die synthetische Brochosomen verwenden, wie etwa effizientere Solarenergie-Erntesysteme, Beschichtungen, die Arzneimittel vor lichtbedingten Schäden schützen, fortschrittliche Sonnenschutzmittel für einen besseren Hautschutz vor Sonnenschäden und sogar Tarnvorrichtungen, sagten Forscher . Um dies zu testen, musste das Team zunächst synthetische Brochosomen herstellen, was an sich schon eine große Herausforderung darstellte.

In ihrer Studie aus dem Jahr 2017 haben die Forscher einige Merkmale von Brochosomen, insbesondere die Grübchen und deren Verteilung, mithilfe synthetischer Materialien nachgeahmt. Dadurch konnten sie beginnen, die optischen Eigenschaften zu verstehen. Allerdings konnten sie nur etwas herstellen, das wie Brochosomen aussah, keine exakte Nachbildung.

„Dies ist das erste Mal, dass wir die exakte Geometrie des natürlichen Brochosoms herstellen können“, sagte Wong und erklärte, dass die Forscher mithilfe fortschrittlicher 3D-Drucktechnologie maßstabsgetreue synthetische Nachbildungen der Brochosomstrukturen erstellen konnten.

Sie druckten eine vergrößerte Version mit einer Größe von 20.000 Nanometern, was etwa einem Fünftel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. Die Forscher haben die Form und Morphologie sowie die Anzahl und Platzierung der Poren mithilfe des 3D-Drucks präzise nachgebildet, um noch kleine künstliche Brochosomen herzustellen, die groß genug waren, um optisch charakterisiert zu werden.

Mithilfe eines Mikro-Fourier-Transformations-Infrarotspektrometers (FTIR) untersuchten sie, wie die Brochosomen mit Infrarotlicht verschiedener Wellenlängen interagierten, und halfen den Forschern zu verstehen, wie die Strukturen das Licht manipulieren.

Als nächstes planen die Forscher, die Herstellung synthetischer Brochosomen zu verbessern, um eine Produktion in einem Maßstab zu ermöglichen, der näher an der Größe natürlicher Brochosomen liegt. Sie werden auch zusätzliche Anwendungen für synthetische Brochosomen untersuchen, beispielsweise die Informationsverschlüsselung, bei der brochosomenähnliche Strukturen als Teil eines Verschlüsselungssystems verwendet werden könnten, bei dem Daten nur bei bestimmten Lichtwellenlängen sichtbar sind.

Wang bemerkte, dass ihre Brochosomenarbeit den Wert eines biomimetischen Forschungsansatzes zeige, bei dem Wissenschaftler sich von der Natur inspirieren lassen.

„Die Natur war für Wissenschaftler ein guter Lehrmeister bei der Entwicklung neuartiger, fortschrittlicher Materialien“, sagte Wang. „In dieser Studie haben wir uns nur auf eine Insektenart konzentriert, aber es gibt noch viele weitere erstaunliche Insekten, die darauf warten, von Materialwissenschaftlern untersucht zu werden, und sie können uns möglicherweise bei der Lösung verschiedener technischer Probleme helfen. Sie sind nicht nur Käfer.“ ; sie sind Inspirationen.“

Zu den weiteren Forschern der Studie gehören neben Wong und Wang von der Penn State University auch Sheng Shen, Professor für Maschinenbau, und Zhuo Li, Doktorand im Maschinenbau, beide an der Carnegie Mellon University, die zu den Simulationen dieser Studie beigetragen haben. Wang und Li haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen, für die die Forscher ein vorläufiges US-Patent angemeldet haben.