Imparare dalla natura – Manipolare la luce con l’aiuto degli afidi fogliari

Uno studio recente studio guidato da ricercatori della Pennsylvania State University ha scoperto che le piccole particelle secrete dagli afidi fogliari, comunemente presenti nei nostri giardini, possono aiutarci a costruire tecnologie di nuova generazione. 

Pubblicato di recente su PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, i ricercatori, per la prima volta in assoluto, sono riusciti a replicare esattamente la complessa geometria delle misteriose particelle, chiamate brocosomi, e il modo in cui assorbono la luce.

Il fatto è che molti materiali funzionali naturali sono costituiti da micro‑ e nanostrutture gerarchiche che sono parti integranti delle superfici biologiche. Gli afidi fogliari, in particolare, secernono brocosomi e li usano come materiali distribuibili sulle loro superfici corporee.

I brocosomi sono sfere intricatamente strutturate a forma di buckyball con fori attraversanti, prodotte dall’afide fogliario. Sono vuoti e nanoscopici, il che significa che sono estremamente piccoli e si trovano su scala nanometrica, un miliardesimo di metro. Queste particelle idrofobiche sono secrete dagli afidi fogliari e si trovano sulla superficie del loro corpo. 

Sebbene fossero state scoperte per la prima volta diversi decenni fa, negli anni 1950, non comprendiamo ancora il significato funzionale della geometria dei brocosomi, cosa che questo studio intende cambiare.

Tak‑Sing Wong, professore di ingegneria biomedica e ingegneria meccanica alla Penn State, ha guidato lo studio. Ha scoperto che i fori attraversanti dei brocosomi possono contribuire a ridurre la riflessione della luce. Questo rappresenta il primo esempio biologico che dimostra una funzionalità antiriflesso a corto raggio d’onda, a filtro passa‑basso, riferita a un rivestimento ottico che riduce la riflessione su un certo intervallo di lunghezze d’onda più corte consentendo a quelle più lunghe di passare.

Secondo lo studio, l’unica geometria dei brocosomi potrebbe consentire lo sviluppo di materiali ottici bioispirati (materiali finemente sintonizzati e reattivi ispirati alle strutture naturali presenti negli organismi viventi). 

Questo sviluppo differisce dall’effetto anti‑riflesso degli occhi di falena, che ha ispirato rivestimenti altamente efficaci per l’uso in pannelli solari, smartphone e tablet. Gli occhi delle falene non riflettono grazie alla struttura periodica su scala nanometrica della superficie, che fa disperdere la luce incidente in direzioni casuali. Di conseguenza, invece di essere riflessa, la luce viene trasmessa nell’occhio.

Quindi, i brocosomi degli afidi fogliari offrono un approccio distinto per la manipolazione ottica bioispirata, con possibili applicazioni in rivestimenti, dispositivi di occultamento invisibili e nella raccolta di energia solare più efficiente.

Replicare le strutture complesse dei brocosomi

Data la limitata comprensione della geometria unica dei brocosomi, della loro presenza costante in varie specie di afidi, e dell’incertezza riguardo alle loro dimensioni e ai fori attraversanti, tipicamente nell’ordine di centinaia di nanometri, i ricercatori della Penn State hanno intrapreso questo studio per svelare questi misteri e chiarire la loro importanza per queste specie.

Il team sta lavorando a questo da diversi anni. Nel 2017, è stata in realtà la prima volta che è stata sviluppata una versione sintetica dei brocosomi per ottenere una migliore comprensione della loro funzione.

Realizzare questi brocosomi in laboratorio è stato un compito impegnativo nonostante gli scienziati li conoscessero da così tanto tempo. Ciò è dovuto alla complessità geometrica di queste particelle. È anche stato sconosciuto il motivo per cui questi insetti di giardino secernono particelle con strutture così complesse.

Anni fa, sebbene le caratteristiche dei brocosomi come le fossette e la loro distribuzione fossero state replicate con successo usando materiali sintetici, i ricercatori non riuscivano a creare una replica esatta. Ora è la prima volta che il team è riuscito a replicare la geometria esatta del brocosoma naturale in una forma scalata di 20.000 nanometri.

Ora, per creare queste strutture complesse in laboratorio, il team di ricerca ha utilizzato un metodo di stampa tridimensionale ad alta tecnologia. Hanno impiegato la stampa 3D a polimerizzazione a due fotoni (2PP) per fabbricare versioni sintetiche ad alta fedeltà dei brocosomi.

Lo studio ha osservato che, sebbene le migliori stampanti 3D possano creare oggetti con una risoluzione di 200‑500 nm, non riescono a replicare le geometrie su scala nanometrica dei brocosomi naturali, che si trovano nell’intervallo di circa 300‑600 nm. Pertanto, hanno utilizzato una tecnica di modello di scala e poi hanno fabbricato brocosomi sintetici microscopici come sistema modello.

I brocosomi sintetici e i loro fori attraversanti sono stati progettati con diametri di circa 20 µm e 5 µm, rispettivamente, per garantire che le strutture stampate fossero molto più grandi della risoluzione della stampante 3D. La struttura risultante presentava 12 fori attraversanti pentagonali e 20 fori attraversanti esagonali collegati tramite un nucleo cavo. Mentre lo spessore del guscio era il 7% del diametro complessivo, lo spessore della parete del foro attraversante era del 20%, imitazione dei brocosomi naturali.

Il campione fabbricato comprendeva inoltre una matrice di 20 per 20 brocosomi sintetici in un reticolo HCP che ha prodotto una densità di impacchettamento di circa il 91%. È stato anche fabbricato un campione di controllo privo di strutture con fori attraversanti.

Il team ha poi esaminato la relazione forma‑funzione ottica dei brocosomi, che ha mostrato che le geometrie gerarchiche dei brocosomi sono progettate entro un intervallo di dimensioni ristretto con architettura a fori attraversanti per ridurre significativamente la riflessione della luce.

Per investigare come i brocosomi interagiscono con la luce infrarossa di diverse lunghezze d’onda, i ricercatori hanno utilizzato uno spettrometro infrarosso a trasformata di Fourier micro (FTIR) che li ha aiutati a comprendere come la luce viene manipolata dalle strutture.

Le particelle prodotte in laboratorio hanno dimostrato di poter ridurre la riflessione della luce fino al 94%, il che è notevole poiché è la prima volta che una specie naturale è stata osservata controllare la luce in modo così specifico usando particelle cave.

Questa scoperta suggerisce anche la forte possibilità che gli afidi rivestono se stessi con un’armatura di brocosomi per occultarsi e sfuggire ai predatori, invece delle teorie precedenti che ipotizzavano che fosse un modo per liberarsi da contaminanti e acqua, secondo il co‑autore Wong.

Inoltre, il team ha scoperto che l’aspetto cavo a forma di buckyball del brocosoma, insieme alle dimensioni dei suoi fori, svolge una duplice funzione di assorbire la luce ultravioletta (UV) e disperdere la luce visibile.

Curiosamente, le dimensioni sono risultate costanti tra le specie di afidi, indipendentemente dalla dimensione corporea dell’insetto. Quindi, i brocosomi hanno circa 600 nanometri di diametro, e i pori circa 200 nanometri.

Questa coerenza riduce la visibilità ai predatori come uccelli e rettili, che hanno visione UV, assorbendo la luce UV grazie alle dimensioni dei fori. Inoltre, la dispersione della luce visibile crea uno scudo anti‑riflesso contro potenziali minacce.

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Potenziali applicazioni straordinarie

Quindi, supportato dall’Office of Naval Research, lo studio è riuscito a trovare la risposta alla complessità delle strutture, dimostrando che sono state progettate per migliorare la dispersione della luce su larga banda. Inoltre, i fori attraversanti hanno ulteriormente ridotto la riflessione della luce funzionando come filtri a corto raggio d’onda, a passa‑basso.

Questi effetti consentono ai brocosomi di ottenere una riduzione della riflessione speculare compresa tra l’80% e il 94% su un ampio intervallo di lunghezze d’onda. Secondo Lin Wang, autore principale dello studio e ricercatore post‑dottorato in ingegneria meccanica, “potrebbero essere molto utili per l’innovazione tecnologica”.

Disporre di un nuovo modo per regolare la riflessione della luce su una superficie può permettere agli scienziati di nascondere le firme termiche sia di macchine che di esseri umani. Wang ipotizza che un giorno potremmo persino utilizzare i trucchi degli afidi per creare un mantello di invisibilità termica per noi stessi, con potenziali applicazioni militari e di sorveglianza.

“Il nostro lavoro dimostra come comprendere la natura possa aiutarci a sviluppare tecnologie moderne.” 

– Wang

Alcune potenziali applicazioni dei risultati includono creme solari avanzate per proteggere dai danni del sole, riducendo il rischio di cancro della pelle. Inoltre, si possono sviluppare rivestimenti per proteggere i farmaci dalla degradazione indotta dalla luce, migliorando l’efficacia e la durata dei medicinali sensibili. I ricercatori hanno anche osservato che questa conoscenza potrebbe portare allo sviluppo di sistemi di raccolta di energia solare più efficienti.

Mentre il team ha creato repliche esatte dei brocosomi naturali, il loro lavoro è tutt’altro che finito. Nel prossimo passo, i ricercatori si concentreranno sul migliorare la fabbricazione dei brocosomi sintetici per avvicinarsi maggiormente alle dimensioni dei loro corrispondenti naturali.

Il team esplorerà anche ulteriori applicazioni per i brocosomi sintetici, come la crittografia delle informazioni. Le strutture complesse dei brocosomi potrebbero essere integrate in un sistema di crittografia in cui i dati sono visibili solo sotto specifiche lunghezze d’onda della luce, consentendo comunicazioni sicure.

Secondo Wang, lo studio dimostra il valore di trarre ispirazione dalla natura, che “è stata una buona insegnante per gli scienziati nello sviluppo di nuovi materiali avanzati”.

Gli afidi fogliari sono solo una delle tante specie di insetti, segnando solo l’inizio; con così “molti altri insetti straordinari che attendono di essere studiati dai materiali‑scienziati,” Wang prevede che tale ricerca “ci aiuterà a risolvere vari problemi ingegneristici.”

I ricercatori hanno depositato un brevetto provvisorio statunitense per il loro lavoro, che ha visto anche contributi di Zhuo Li, candidato dottorato in ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University, e Sheng Shen, professore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University.

Prodotti ispirati al reverse‑engineering di successo della natura 

Lo studio mostra le grandi implicazioni dell’apprendere dalla natura. Ma questo non è un fenomeno nuovo; gli esseri umani sono stati ispirati dalla natura fin dall’inizio dei tempi. 

Storicamente, gli antichi Greci proporzionavano i loro edifici secondo il rapporto aureo. Nel XIX secolo, i coloni spagnoli in Colorado utilizzavano le profondità dei tunnel dei scoiattoli di terra colombiani per costruire le loro case sopra il suolo. Più recentemente, gli scienziati hanno persino reverse‑engineered i sistemi di equilibrio degli insetti come le blatte per progettare robot più stabili. 

I geco, in particolare, sono stati una grande fonte di ispirazione nell’industria della robotica. Ingegneri dell’Università di Waterloo hanno studiato la capacità di presa dei geco e dei lombrichi per creare un piccolo robot che si prevede aiuterà i medici a eseguire interventi chirurgici un giorno. 

Il gruppo Max Planck mira a sfruttare le intuizioni ottenute dagli impatti duri dei geco per aiutare i veicoli aerei robotici a posarsi in modo più disciplinato. Anche la NASA sta prendendo ispirazione dai rettili, con il suo adesivo per geco già testato sulla Stazione Spaziale Internazionale. Nel frattempo, il robot RiSE di Boston Dynamics, con i suoi piedi ispirati ai geco, dimostra come il genio della natura possa essere usato per invenzioni e prodotti straordinari.

Diamo quindi un’occhiata a un paio di aziende che hanno progettato e sviluppato prodotti ispirati alla natura:

#1. Velcro Industries

Nel 1941, l’ingegnere e imprenditore svizzero George de Mestral inventò il Velcro, una scoperta ispirata alle bardature che trovava su di sé e sul suo cane. Esaminando la bardatura al microscopio, scoprì un meccanismo semplice ma ingegnoso: piccoli ganci e anelli di tessuto che permettevano alla bardatura di aderire saldamente alle superfici. Questo lo portò a replicare la struttura della bardatura come potenziale chiusura. 

I fermagli del marchio ALFA‑LOK di Velcro sono un altro esempio di ciò, che trae ispirazione dalla struttura unica dei funghi. Il fermaglio presenta piccoli ganci a forma di cappello di fungo, che sono piccole teste a ombrello che coprono e proteggono i minuscoli spore, e sulla parte superiore di ogni gancio c’è un cappuccio per creare una chiusura sicura.  

L’ispirazione dalla natura, come afferma Velcro, ha garantito pannolini per neonati, ci ha portato sulla luna e ha creato oltre 2.000 brevetti. Oggi, Velcro è diventato un termine generico ed è utilizzato in una vasta gamma di settori, tra cui informatica, sanità e industria automobilistica.

#2. Sharklet Technologies 

Per combattere la diffusione dei batteri, questa azienda sviluppa superfici che inibiscono la crescita di batteri e microbi — uno sviluppo che trova applicazione negli ambienti sanitari. Invece di fare affidamento su sostanze chimiche aggressive o antibiotici, queste superfici derivano le loro proprietà antibatteriche dalla loro stessa struttura.

Queste superfici presentano un rivestimento unico di pattern microscopici ispirati alla texture della pelle di squalo. Misurati circa 3 micron in altezza e 2 micron in larghezza, questi pattern sono impercettibili a occhio nudo o al tatto. L’azienda sviluppa diverse varianti del micropattern Sharklet, con quelli positivi sporgenti dalla superficie mentre quelli inversi sono incassati nella superficie del materiale.

Il pattern è nato nel 2002, quando il professore di scienza dei materiali e ingegneria Dr. Anthony Brennan trovò la risposta al problema di impedire alle alghe di coprire gli scafi di navi e sottomarini. Esaminando l’impronta della pelle di squalo con microscopia elettronica a scansione, scoprì che era disposta in un pattern a diamante con piccole costole che impediscono l’insediamento di microrganismi.

#3. BioMASON

Nel settore delle infrastrutture, questa azienda utilizza la biomimica per produrre cemento, che rappresenta l’8% delle emissioni globali di anidride carbonica. Per ridurre l’impatto climatico della costruzione con la crescente domanda di cemento, Biomason ha cambiato il modo in cui produce cemento.

L’azienda, che commercializza la sua tecnologia ad altre imprese, ha tratto ispirazione da una delle strutture più robuste e durature della natura: le barriere coralline. Imitando la formazione naturale di carbonato di calcio in conchiglie e barriere coralline, Biomason adotta un processo simile per la produzione del suo biocemento invece di riscaldare il calcare per estrarne il carbonio.

Ora mira a utilizzare la biomimica per creare materiali forti e sostenibili per gli edifici. Integra aggregati da scarti minerari e impiega microrganismi come agente legante per questi aggregati, affidandosi al calore del sole per il processo di essiccazione dopo la pulizia. L’azienda ha ottenuto finanziamenti dal Department of Defence Advanced Research Project Agency per sviluppare Cemento Marino Vivente Ingegnerizzato. Inoltre, è in corso il progetto MEDUSA, volto a costruire piste e strutture militari in aree remote usando microrganismi.

Conclusione

Come ha detto Wang, gli afidi fogliari e altri insetti “non sono semplici insetti; sono fonti di ispirazione.” Per anni, gli scienziati hanno studiato la natura e l’hanno utilizzata per progettare prodotti, come abbiamo notato sopra. Attraverso la ricerca continua, risultati promettenti e le loro successive applicazioni in settori come il camuffamento multispettrale, la crittografia ottica e i rivestimenti antiriflesso omnidirezionali, studi come quello sui brocosomi anti‑riflesso degli afidi possono portare a molte innovazioni tecnologiche e provocare cambiamenti enormi in vari settori.

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