При детальном рассмотрении крыла императорской цикады проявляется удивительный ландшафт. На наноуровне от поверхности отходят плотно расположенные шипы, образуя бесконечную рощу кегельбанов.
Однако эти шипы — больше, чем просто жуткое зрелище. Их высокоупорядоченная и равномерная структура может быть модифицирована для работы в качестве оптического метаматериала, используя свою крошечную геометрию для изменения взаимодействия между световыми волнами и веществом.
В журнале AIP Advances исследователи из Китайского медицинского университета и Национального тайваньского университета показывают, что эти природные наноструктуры можно настроить для усиления сигналов в методах молекулярного обнаружения.
Учёные были заинтересованы в использовании структуры крыльев цикады для улучшения поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS). Стандартная рамановская спектроскопия освещает молекулу лазерным лучом и фиксирует уникальный спектр рассеянного света, который действует как молекулярный отпечаток пальца. Однако сигнал рассеянного света часто бывает слабым, что побуждает исследователей искать способы его усиления.
SERS использует усиленные электрические поля, создаваемые в зазорах между металлическими наноструктурами, для усиления сигналов рамановского рассеяния. Хотя традиционные методы изготовления этих наноструктур позволяют тщательно калибровать размер и геометрию элементов, они дорогостоящие и трудоёмкие. Поэтому недорогие, однородные и масштабируемые крылья императорской цикады привлекли исследователей как готовый шаблон для наноструктур.
«Мы хотели продемонстрировать, что, сочетая биологический дизайн на наноуровне со стандартными методами нанесения тонких плёнок, можно достичь характеристик SERS, сравнимых с искусственно созданными структурами, преодолевая разрыв между вдохновлённым природой дизайном и практическими сенсорными технологиями», — сказал автор Чун-Хун Хонг.
Команда покрыла шипы крыльев цикады серебряными наночастицами двумя методами: методом напыления и с помощью электронной пушки. Напыление превратило наношипы в цилиндрические столбообразные структуры. В отличие от этого, покрытие с помощью электронной пушки сделало шипы более коническими.
Проанализировав влияние различной толщины покрытия на работу устройства SERS, команда определила, что цилиндрические наноструктуры, разделённые пятинанометровыми промежутками, являются наиболее перспективными.
Микроскопический зазор позволил сформировать оптимальные электромагнитные горячие точки, усилив производительность SERS в миллион раз по сравнению с крыльями цикад без покрытия.
В будущем команда надеется распространить этот вдохновлённый природой дизайн за пределы видимого, инфракрасного и ультрафиолетового света, используемого в SERS, на микроволновые и миллиметровые резонаторные датчики, которые могут обнаруживать биомолекулы и загрязнители окружающей среды.
«В будущем этот подход к биошаблонированию может быть распространён на другие природные микро– и наноструктуры, такие как крылья бабочек или листья растений, и интегрирован с портативными датчиками для быстрого обнаружения патогенов и загрязнителей», — сказал Хонг.
«Мы надеемся, что это исследование продемонстрирует, как биологические наноструктуры могут определять инженерный дизайн, открывая новый путь к созданию устойчивых, недорогих и высокочувствительных сенсорных технологий».
Предоставлено American Institute of Physics.