Von der Natur lernen – Lichtmanipulation mit Hilfe von Blattläusen

Eine neue Studie, die von Forschern der Pennsylvania State University geleitet wird hat ergeben, dass die kleinen von Blattläusen ausgeschiedenen Partikel, die häufig in unserem Garten vorkommen, uns beim Aufbau von Technologie der nächsten Generation helfen können. 

Kürzlich in den PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, veröffentlicht, waren die Forscher zum ersten Mal überhaupt erfolgreich bei der genauen Replikation der komplexen Geometrie der mysteriösen Partikel, die Brochosomen genannt werden, und wie sie Licht absorbieren.

Die Sache ist, dass viele natürliche Funktionsmaterialien aus hierarchischen Mikro- und Nanostrukturen bestehen, die integrale Bestandteile biologischer Oberflächen sind. Blattläuse setzen insbesondere Brochosomen frei und nutzen sie als einsetzbare Materialien auf ihren Körperoberflächen.

Brochosomen sind kunstvoll strukturierte, buckyball‑förmige Sphären mit Durchlöchern, die vom Blattlaus produziert werden. Sie sind hohl und nanoskaliert, das heißt, sie sind extrem klein und liegen im Nanometer‑Bereich, also einem Milliardstel Meter. Diese hydrophoben Partikel werden von Blattläusen ausgeschieden und befinden sich auf deren Körperoberfläche. 

Obwohl sie bereits in den 1950er‑Jahren erstmals entdeckt wurden, haben wir immer noch kein Verständnis für die funktionale Bedeutung der Geometrie von Brochosomen, etwas, das diese Studie zu ändern versucht.

Tak‑Sing Wong, Professor für Biomedizinische Technik und Maschinenbau an der Penn State, leitete die Studie. Sie ergab, dass die Durchlöcher der Brochosomen die Lichtreflexion reduzieren können. Dies stellt das erste biologische Beispiel dar, das eine kurzwellige, low‑pass Antireflexions‑Funktion demonstriert, also eine optische Beschichtung, die die Reflexion über einen bestimmten Bereich kürzerer Wellenlängen reduziert, während längere Wellenlängen durchgelassen werden.

Die einzigartige Geometrie der Brochosomen könnte laut Studie die Entwicklung bioinspirierter optischer Materialien ermöglichen (fein abgestimmte und reaktionsfähige Materialien, inspiriert von natürlichen Strukturen in lebenden Organismen). 

Diese Entwicklung unterscheidet sich vom anti‑reflektiven Mottauge‑Effekt, der hochwirksame Beschichtungen für Solarpanels, Smartphones und Tablet‑Computer inspiriert hat. Die Augen von Motten sind nicht reflektierend aufgrund der periodischen nanoskaligen Struktur ihrer Oberfläche, die einfallendes Licht in zufällige Richtungen streut. Dadurch wird das Licht nicht reflektiert, sondern in das Auge übertragen.

Daher bieten die Brochosomen der Blattläuse einen eigenen Ansatz für bioinspirierte optische Manipulation, mit möglichen Anwendungen in Beschichtungen, unsichtbaren Tarnvorrichtungen und effizienterer Solarenergiegewinnung.

Replikation der komplexen Strukturen von Brochosomen

Angesichts des begrenzten Verständnisses der einzigartigen Geometrie von Brochosomen, ihrer beständigen Präsenz in verschiedenen Blattlaus‑Arten und der Unsicherheit bezüglich ihrer Größen und Durchlöcher, die typischerweise im Bereich von mehreren hundert Nanometern liegen, haben die Forscher der Penn State diese Studie durchgeführt, um diese Geheimnisse zu enthüllen und ihre Bedeutung für diese Arten zu verdeutlichen.

Das Team arbeitet seit mehreren Jahren daran. Bereits 2017 wurde erstmals eine synthetische Version von Brochosomen entwickelt, um ein besseres Verständnis ihrer Funktion zu erlangen.

Die Herstellung dieser Brochosomen im Labor war trotz des langen Wissens der Wissenschaftler über sie eine herausfordernde Aufgabe. Dies lag an der geometrischen Komplexität dieser Partikel. Es war zudem unbekannt, warum diese Garteninsekten überhaupt Partikel mit solch komplexen Strukturen ausscheiden.

Selbst vor Jahren, während Merkmale von Brochosomen wie Dimples und deren Verteilung erfolgreich mit synthetischen Materialien nachgeahmt wurden, konnten die Forscher keinen exakten Nachbau erstellen. Jetzt ist es das erste Mal, dass das Team die exakte Geometrie der natürlichen Brochosome in einer skalierten Form von 20.000 Nanometern Größe replizieren konnte.

Um diese komplexen Strukturen im Labor zu erzeugen, nutzte das Forschungsteam eine hochmoderne dreidimensionale Druckmethode. Sie setzten die Zwei‑Photon‑Polymerisation (2PP) 3D‑Drucktechnologie ein, um hochpräzise synthetische Versionen von Brochosomen herzustellen.

Die Studie stellte fest, dass während die besten 3D‑Drucker Objekte mit einer Auflösung von 200 nm bis 500 nm erzeugen können, sie nicht in der Lage sind, die nanoskaligen Geometrien natürlicher Brochosomen zu replizieren, die im Bereich von ~300 nm bis 600 nm liegen. Daher nutzten sie eine Skalierungsmodell‑Technik und fertigten mikroskopische synthetische Brochosomen als Modellsystem an.

Die synthetischen Brochosomen und ihre Durchlöcher wurden mit Durchmessern von etwa 20 µm bzw. 5 µm entworfen, um sicherzustellen, dass die gedruckten Strukturen deutlich größer als die Auflösung des 3D‑Druckers sind. Die resultierende Struktur wies 12 pentagonale Durchlöcher und 20 hexagonale Durchlöcher auf, die über einen hohlen Kern verbunden waren. Während die Schalenstärke 7 % des Gesamtdurchmessers betrug, war die Wandstärke der Durchlöcher 20 %, was den natürlichen Brochosomen entspricht.

Die gefertigte Probe bestand weiter aus einem Array von 20 × 20 synthetischen Brochosomen in einem HCP‑Gitter, das zu einer Packungsdichte von etwa 91 % führte. Eine Kontrollprobe ohne Durchloch‑Strukturen wurde ebenfalls hergestellt.

Das Team untersuchte anschließend die optische Form‑zu‑Funktion‑Beziehung der Brochosomen, die zeigte, dass die hierarchischen Geometrien der Brochosomen in einem engen Größenbereich mit Durchloch‑Architektur konstruiert sind, um die Lichtreflexion signifikant zu reduzieren.

Um zu untersuchen, wie die Brochosomen mit Infrarotlicht unterschiedlicher Wellenlängen interagieren, nutzten die Forscher ein Mikro‑Fourier‑Transform‑Infrarot‑(FTIR‑)Spektrometer, das ihnen half zu verstehen, wie das Licht von den Strukturen manipuliert wird.

Die im Labor hergestellten Partikel konnten die Lichtreflexion um bis zu 94 % reduzieren, was bemerkenswert ist, da dies das allererste Mal ist, dass eine Art in der Natur beobachtet wurde, die Licht auf solch spezifische Weise mit hohlen Partikeln kontrolliert.

Diese Entdeckung legt zudem die starke Möglichkeit nahe, dass Blattläuse sich mit einer Brochosomen‑Rüstung überziehen, um sich vor Fressfeinden zu tarnen, anstatt der früheren Theorien, die vermuteten, dass dies dazu dient, sie von Verunreinigungen und Wasser zu befreien, so Co‑Autor Wong.

Zudem entdeckte das Team, dass das hohle, buckyball‑förmige Aussehen der Brochosome zusammen mit der Größe ihrer Löcher einen doppelten Zweck erfüllt: das Absorbieren von ultraviolettem (UV) Licht und das Streuen von sichtbarem Licht.

Interessanterweise wurde festgestellt, dass die Größe über verschiedene Blattlaus‑Arten hinweg konsistent ist, unabhängig von der Körpergröße des Insekts. Brochosomen haben also einen Durchmesser von etwa 600 Nanometern, und die Poren sind etwa 200 Nanometer groß.

Diese Konsistenz verringert die Sichtbarkeit für Räuber wie Vögel und Reptilien, die UV‑Sehen besitzen, indem UV‑Licht durch die Lochgröße absorbiert wird. Zusätzlich erzeugt das Streuen von sichtbarem Licht einen antireflektierenden Schutzschild gegen potenzielle Bedrohungen.

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Erstaunliche potenzielle Anwendungen

So konnte die Studie, unterstützt vom Office of Naval Research, die Antwort auf die Komplexität der Strukturen finden und zeigte, dass sie entwickelt wurden, um die Breitband‑Lichtstreuung zu verbessern. Darüber hinaus reduzierten die Durchlöcher die Lichtreflexion weiter, indem sie als kurzwellige Low‑Pass‑Filter fungierten.

Diese Effekte ermöglichen es Brochosomen, eine Reduktion der spekularen Reflexion um 80 % bis 94 % über einen Breitband‑Wellenlängenbereich zu erreichen. Diese Erkenntnisse, so Lin Wang, der Hauptautor der Studie und Postdoktorand im Maschinenbau, „könnten für technologische Innovationen sehr nützlich sein“.

Eine neue Methode zur Regelung der Lichtreflexion auf einer Oberfläche kann Wissenschaftlern ermöglichen, die thermischen Signaturen von Maschinen und Menschen zu verbergen. Wang postuliert, dass wir eines Tages die Tricks der Blattläuse nutzen könnten, um einen thermischen Tarnumhang für uns selbst zu schaffen, was vielversprechende Anwendungen im militärischen Bereich und in der Überwachung bietet.

“Unsere Arbeit zeigt, wie das Verständnis der Natur uns helfen kann, moderne Technologien zu entwickeln.” 

– Wang

Einige potenzielle Anwendungen der Ergebnisse umfassen fortschrittliche Sonnenschutzmittel zum Schutz vor Sonnenschäden, wodurch das Risiko von Hautkrebs reduziert wird. Darüber hinaus können Beschichtungen entwickelt werden, um pharmazeutische Produkte vor lichtinduzierten Schäden zu schützen und die Wirksamkeit sowie Haltbarkeit empfindlicher Medikamente zu erhöhen. Forscher bemerkten zudem, dass dieses Wissen zur Entwicklung effizienterer Systeme zur Solarenergiegewinnung führen könnte.

Obwohl das Team erfolgreich exakte Replikate natürlicher Brochosomen erstellt hat, ist ihre Arbeit noch lange nicht abgeschlossen. Im nächsten Schritt werden die Forscher die Herstellung synthetischer Brochosomen verbessern, um die Größe ihrer natürlichen Gegenstücke genauer zu treffen.

Das Team wird zudem weitere Anwendungen für synthetische Brochosomen erforschen, beispielsweise in der Informationsverschlüsselung. Die komplexen Strukturen der Brochosomen könnten in ein Verschlüsselungssystem integriert werden, bei dem Daten nur unter bestimmten Lichtwellenlängen sichtbar sind, was eine sichere Kommunikation ermöglicht.

Laut Wang zeigt die Studie den Wert, sich von der Natur inspirieren zu lassen, die „ein guter Lehrer für Wissenschaftler war, um neuartige fortschrittliche Materialien zu entwickeln.“

Blattläuse sind nur eine von vielen Insektenarten und markieren erst den Anfang; mit so „vielen weiteren erstaunlichen Insekten, die darauf warten, von Materialwissenschaftlern untersucht zu werden“, antizipiert Wang, dass solche Forschung „uns helfen wird, verschiedene ingenieurtechnische Probleme zu lösen.“

Die Forscher haben ein US‑vorläufiges Patent für ihre Arbeit eingereicht, an dem auch Zhuo Li, Doktorand im Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, und Sheng Shen, Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, mitgewirkt haben.

Produkte, die von erfolgreichem Reverse‑Engineering der Natur inspiriert sind

Die Studie zeigt die großen Implikationen, die das Lernen von der Natur hat. Doch dies ist kein neues Phänomen; Menschen lassen sich seit Anbeginn der Zeit von der Natur inspirieren.

Historisch proportionierten die antiken Griechen ihre Gebäude nach dem Goldenen Schnitt. Im 19. Jahrhundert nutzten spanische Siedler in Colorado die Tiefen der Baue von kolumbianischen Erdhörnchen, um ihre Häuser über dem Boden zu bauen. In jüngerer Zeit haben Wissenschaftler sogar die Balancesysteme von Insekten wie Kakerlaken rückentwickelt, um stabilere Roboter zu entwerfen.

Geckos sind insbesondere eine großartige Inspirationsquelle in der Robotikbranche. Ingenieure der University of Waterloo studierten die Greiffähigkeit von Geckos und Tausendfüßlern, um einen winzigen Roboter zu schaffen, der eines Tages Ärzten bei Operationen helfen könnte.

Die Max‑Planck‑Gruppe beabsichtigt, die Erkenntnisse aus den harten Landungen von Geckos zu nutzen, um robotischen Luftfahrzeugen ein disziplinierteres Landen zu ermöglichen. Sogar die NASA lässt sich von den Reptilien inspirieren, wobei ihr Geckoklebstoff bereits auf der Internationalen Raumstation getestet wird. Unterdessen zeigt der RiSE‑Roboter von Boston Dynamics, ausgestattet mit gecko‑inspirierten Füßen, wie die Brillanz der Natur für erstaunliche Erfindungen und Produkte genutzt werden kann.

Schauen wir uns also ein paar Unternehmen an, die Produkte entworfen und entwickelt haben, die von der Natur inspiriert sind:

#1. Velcro Industries

Im Jahr 1941 erfand der Schweizer Ingenieur und Unternehmer George de Mestral Velcro, eine bahnbrechende Erfindung, inspiriert von den Kletten, die er an sich und seinem Hund fand. Bei der Untersuchung der Klette unter dem Mikroskop entdeckte er einen einfachen, aber genialen Mechanismus: kleine Haken und Stoffschlaufen, die es der Klette ermöglichten, fest an Oberflächen zu haften. Dies veranlasste ihn, die Struktur der Klette als potenziellen Befestiger nachzuahmen.

Velcros Marke ALFA‑LOK‑Befestigungen sind ein weiteres Beispiel dafür, das Inspiration aus der einzigartigen Struktur von Pilzen zieht. Der Befestiger verfügt über winzige Haken, die wie Pilzhüte geformt sind – kleine, schirmartige Oberseiten, die winzige Sporen bedecken und schützen, und an der Spitze jedes Hakens befindet sich eine Kappe, die ein sicheres Verschließen ermöglicht.

Inspiration aus der Natur, wie Velcro sagt, hat Babywindeln gesichert, uns zum Mond gebracht und über 2.000 Patente hervorgebracht. Heute ist Velcro zu einem generischen Begriff geworden und wird in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, darunter Computer, Gesundheitswesen und die Automobilindustrie.

#2. Sharklet Technologies 

Um die Ausbreitung von Bakterien zu bekämpfen, entwickelt dieses Unternehmen Oberflächen, die das Wachstum von Bakterien und Mikroben hemmen – eine Entwicklung, die in Gesundheitseinrichtungen Anwendung findet. Anstatt auf aggressive Chemikalien oder Antibiotika zu setzen, erhalten diese Oberflächen ihre antibakteriellen Eigenschaften aus ihrer eigenen Struktur.

Diese Oberflächen besitzen eine einzigartige Beschichtung aus mikroskopischen Mustern, inspiriert von der Textur von Haifischhaut. Sie messen etwa 3 µm in der Höhe und 2 µm in der Breite und sind für das bloße Auge oder den Finger kaum wahrnehmbar. Das Unternehmen entwickelt mehrere Varianten des Sharklet‑Mikromusters, wobei positive Muster aus der Oberfläche hervortreten, während inverse Muster in die Materialoberfläche eingedrückt sind.

Das Muster entstand, als im Jahr 2002 der Professor für Werkstoffwissenschaft und Ingenieurwesen Dr. Anthony Brennan die Lösung für das Problem fand, Algen davon abzuhalten, Schiffe und U‑Boot‑Hüllen zu bedecken. Bei der Untersuchung des Abdrucks von Haifischhaut mit Rasterelektronenmikroskopie entdeckte er, dass er in einem Rautenmuster mit winzigen Rippen angeordnet war, die die Besiedlung von Mikroorganismen verhindern.

#3. BioMASON

Im Infrastruktursektor nutzt dieses Unternehmen Biomimikry, um Zement zu produzieren, der für 8 % der globalen Kohlendioxid‑Emissionen verantwortlich ist. Um die Klimaauswirkungen des Bauwesens zu reduzieren, während die Nachfrage nach Zement steigt, hat BioMASON die Art und Weise, wie es Zement herstellt, geändert.

Das Unternehmen, das seine Technologie an andere Firmen vermarktet, ließ sich von einer der robustesten und langlebigsten Strukturen der Natur inspirieren: Korallenriffen. Indem es die natürliche Bildung von Calciumcarbonat in Schalen und Korallenriffen nachahmt, verwendet BioMASON einen ähnlichen Prozess zur Herstellung seines Biocements, anstatt Kalkstein zu erhitzen, um dessen Kohlenstoff zu extrahieren.

Jetzt zielt es darauf ab, Biomimikry zu nutzen, um starke und nachhaltige Materialien für Gebäude zu schaffen. Es integriert Zuschlagstoffe aus Bergbauabfällen und setzt Mikroorganismen als Bindemittel für diesen Zuschlag ein, wobei es die Sonnenwärme für den Trocknungsprozess nach der Reinigung nutzt. Das Unternehmen hat Fördermittel von der Defense Advanced Research Projects Agency erhalten, um Engineered Living Marine Cement zu entwickeln. Darüber hinaus läuft das Projekt MEDUSA, das darauf abzielt, militärische Start‑ und Landebahnen sowie Strukturen in abgelegenen Gebieten mithilfe von Mikroorganismen zu bauen.

Fazit

Wie Wang sagte, sind Blattläuse und andere Insekten „keine Käfer; sie sind Inspirationen.“ Seit Jahren untersuchen Wissenschaftler die Natur und nutzen sie, um Produkte zu entwerfen, wie oben erwähnt. Durch fortgesetzte Forschung, vielversprechende Ergebnisse und deren anschließende Anwendungen in Bereichen wie multispektrale Tarnung, optische Verschlüsselung und omnidirektionale Antireflex‑Beschichtungen können Studien wie die anti‑reflektierenden Blattlaus‑Brochosomen zu zahlreichen technologischen Fortschritten führen und immense Veränderungen in verschiedenen Branchen bewirken.

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