Когда большинство людей видит в своём саду цикадку, они обращают внимание лишь на крошечное зелёное или полосатое насекомое, перепрыгивающее с листа на лист. Однако эти насекомые — настоящие мастера-инженеры, способные создавать одни из самых сложных природных наноструктур, которые делают их невидимыми для многих хищников. Их секрет кроется в брохосомах — крошечных полых наноструктурах, которые цикадки естественным образом производят и покрывают себя ими.
Команда из Пенсильванского государственного университета разработала высокоскоростную платформу, способную производить синтетические версии брохосом на скорости более 100 000 в секунду. Это технологическое достижение может привести к созданию камуфляжа нового поколения, датчиков и других инноваций для человека.
Их работа была опубликована в журнале ACS Nano.
«Каждая брохосома меньше пыльцевого зерна, но имеет удивительно сложную архитектуру, напоминающую идеально узорчатый футбольный мяч, покрытый нанопорами», — сказал Так-Син Вонг, профессор машиностроения и биомедицинской инженерии.
Брохосомы цикадок, которым учёные уделяют мало внимания за пределами энтомологических кругов, очаровывают исследователей своей сложностью и оптическим поведением. Уникальная конструкция брохосом служит двойной цели:
* Поглощение ультрафиолетового (УФ) света, что снижает видимость для хищников с УФ-зрением, таких как птицы и рептилии, поскольку размер отверстий идеально подходит для поглощения света на УФ-частоте.
* Рассеивание видимого света, создание антибликового щита против потенциальных угроз — он настолько эффективен, что крылья цикадок кажутся почти неотражающими, обеспечивая естественный камуфляж от хищников.
Это вдохновило Вонга и его исследовательскую группу на создание синтетических версий, но в ограниченном масштабе. Теперь новая платформа команды может производить синтетические брохосомы со скоростью примерно 140 000 частиц в секунду.
Соавтор Джинсоль Чхoi, постдокторский исследователь в группе Вонга, объяснил, что многие потенциальные применения — от неотражающих поверхностей для плащей-невидимок до катализаторов с большой площадью поверхности и чувствительных материалов — требуют массового производства точно спроектированных наночастиц. Способность массово производить эти сложные структуры на высокой скорости приближает их к коммерческому использованию.
«Наша группа работает над синтетическими брохосомами почти десять лет», — сказал Вонг, который также является частью Института материаловедения.
«Достижение знаменует собой значительный шаг вперёд по сравнению с предыдущими усилиями нашей группы, которые впервые продемонстрировали потенциал брохосом для управления светом. Новое исследование не только воссоздаёт их сложную архитектуру, но и показывает, как их можно производить с беспрецедентной точностью и масштабом».
До сих пор люди не могли воспроизводить эти структуры в сравнимых масштабах или сложности. Их полностью трёхмерная геометрия и наноразмерные особенности выходили за рамки того, что могли надёжно создавать даже самые передовые инструменты для изготовления.
Команда начала своё последнее достижение с изучения того, как цикадки сами производят брохосомы. Внутри мальпигиевых канальцев насекомых, типа внутренней системы водоснабжения, развиваются капли-конденсаты с поверхностными волнами, где белки и липиды в системе подвергаются самоорганизации для формирования структур брохосом.
«Природа — мастер нанопроизводства, — сказал Вонг. — Цикадки создают брохосомы не путём вырезания или лепки, а за счёт молекулярной самоорганизации и межфазных явлений».
Чхoi возглавил усилия по разработке синтетической версии этой биологической сборочной линии. Команда использовала крошечный чип с микроскопическими каналами, которые создавали идентичные капли, каждая из которых содержала специально разработанные полимеры, предназначенные для отталкивания или притяжения воды.
Полимеры распределены как на поверхности, так и внутри капли, поэтому, когда капля испаряется, дополнительные полимеры мигрируют к поверхности. По мере того как это происходит, эти части располагаются на поверхности капли, естественным образом создавая крошечные равномерно расположенные поры, которые придают брохосомам их уникальную структуру.
«Химия полимера определяет, как изгибается поверхность капли, — сказал Чхoi. — Изгиб контролирует, как проникает вода, а расположение этих проникших капель задаёт размер и форму пор».
Регулируя состав полимера, молекулярную длину и размер капли, исследователи смогли настроить геометрию конечных частиц и воссоздать брохосомы, аналогичные тем, которые производят разные виды цикадок.
Синтетические частицы также демонстрируют то же оптическое поведение, что и естественные брохосомы. Когда команда покрыла поверхности своими частицами, они наблюдали сильное снижение отражённого света на разных длинах волн и под разными углами.
«Многие технологии зависят от тщательного контроля света, — сказал Вонг. — Камеры и датчики, которые борются с бликами, солнечные панели, которые теряют эффективность, когда свет отражается, или оборонная оптика, которой нужны надёжные антибликовые покрытия, чтобы сделать себя «невидимыми» — всё это может извлечь выгоду из материалов, которые так сильно уменьшают отражения».
Помимо оптики, полая структура частиц и большая внутренняя площадь поверхности открывают возможности для энергетических и химических исследований, говорят исследователи. Их пористые оболочки могут вдохновить будущие исследования в таких областях, как катализ или материалы для хранения энергии.
В других областях уникальная форма частиц и светорассеивающее поведение могут открыть новые возможности для пигментов, маскировочных покрытий или технологий химического и биологического зондирования.
«Синтетические брохосомы сочетают в себе несколько необычных особенностей; они полые, заполнены крошечными порами, имеют большую площадь поверхности и функционируют одинаково с любого угла обзора», — сказал Вонг. «Их потенциал выходит далеко за рамки уменьшения бликов».
Медицинские применения также возможны, отметил Вонг, объяснив, что полая пористая структура частиц может вдохновить будущие исследования в области доставки лекарств или материалов, связанных с визуализацией.
«В целом синтетические брохосомы — это не просто оптические материалы, — сказал Чхoi. — Это универсальная новая платформа, которая может повлиять на такие области, как чистая энергетика и пигменты, защитные покрытия и медицинские технологии».
Что действительно отличает новую платформу, по словам Чхoi, — это её скорость. Традиционные методы нанофабрикации могут производить лишь несколько частиц в секунду, часто требуя нескольких сложных шагов. Эта система, напротив, использует самоорганизацию для генерации более чем 100 000 полностью сформированных частиц каждую секунду.
«Поскольку структура по существу строится снизу вверх, мы достигаем как наномасштабной точности, так и чрезвычайно высокой скорости производства, имитируя то, как биология конструирует наномасштабные архитектуры», — сказал Вонг. «Такой уровень детализации и производительности просто недостижим с помощью традиционных подходов».
Далее исследователи планируют ещё больше расширить микрофлюидную платформу, увеличив скорость производства в 10–1000 раз, и исследовать оптические применения в качестве пигментов, а также потенциальные военные применения. Заявка на патент технологии подана.
Предоставлено:
Пенсильванский государственный университет