Leren van de natuur – licht manipuleren met behulp van bladsnuitkevers

Een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers aan de Pennsylvania State University heeft ontdekt dat de kleine deeltjes die door bladsnuitkevers worden afgescheiden, die gewoonlijk in onze achtertuin worden gevonden, ons kunnen helpen bij de ontwikkeling van volgende generatie technologie.

Onlangs gepubliceerd in de PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, waren de onderzoekers voor het eerst succesvol in de exacte replicatie van de complexe geometrie van de mysterieuze deeltjes, die brochosomen worden genoemd, en hoe ze licht absorberen.

Het feit is dat veel natuurlijke functionele materialen bestaan uit hiërarchische micro- en nanostructuren die integraal onderdeel zijn van biologische oppervlakken. Bladsnuitkevers in het bijzonder, scheiden brochosomen af en gebruiken ze als inzetbare materialen op hun lichaamsoppervlak.

Brochosomen zijn ingewikkeld gestructureerd, buckyball-vormige sferoïden met doorlopende gaten die door de bladsnuitkever worden geproduceerd. Ze zijn hol en nanoscopisch, wat betekent dat ze extreem klein zijn en op de nanometerschaal liggen, wat een miljardste van een meter is. Deze hydrofobe deeltjes worden door bladsnuitkevers afgescheiden en worden op hun lichaamsoppervlak aangetroffen.

Terwijl ze voor het eerst vele decennia geleden in de jaren 50 werden ontdekt, hebben we nog steeds geen begrip van de functionele betekenis van de geometrie van brochosomen, iets wat deze studie probeert te veranderen.

Tak-Sing Wong, een professor in de biomedische techniek en mechanische techniek aan Penn State, leidde de studie. Het bleek dat de doorlopende gaten van brochosomen kunnen helpen om lichtreflectie te verminderen. Dit is het eerste biologische voorbeeld dat aantoont dat korte-golflengte, laagdoorlaatantireflectiefunctionaliteit kan worden gedemonstreerd, wat verwijst naar een optische coating die reflectie over een bepaald bereik van kortere golflengtes vermindert, terwijl langere golflengtes worden doorgelaten.

De unieke geometrie van brochosomen, volgens de studie, kan de ontwikkeling van bio-geïnspireerde optische materialen mogelijk maken (fijn afgestemde en responsieve materialen geïnspireerd door natuurlijke structuren die in levende organismen worden aangetroffen).

Deze ontwikkeling verschilt van het anti-reflecterende mot-oog-effect, dat heeft geleid tot hoogwaardige coatings voor gebruik in zonnepanelen, smartphones en tabletcomputers. De ogen van motten zijn niet-reflecterend vanwege de periodieke nanoschaalstructuur van het oppervlak, waardoor invallend licht in willekeurige richtingen wordt verstrooid. Als gevolg daarvan wordt het licht niet gereflecteerd, maar wordt het in het oog doorgelaten.

Dus, de brochosomen van bladsnuitkevers bieden een aparte benadering voor bio-geïnspireerde optische manipulatie, met mogelijke toepassingen in coatings, onzichtbaarheidsapparaten en een efficiëntere zonne-energie-opwekking.

Repliceren van de complexe structuren van brochosomen

Gezien de beperkte kennis van de unieke geometrie van brochosomen, hun constante aanwezigheid in verschillende soorten bladsnuitkevers en de onzekerheid omtrent hun grootte en doorlopende gaten, die meestal variëren in de honderden nanometers, hebben de onderzoekers aan Penn State deze studie uitgevoerd om deze mysteries te ontrafelen en hun belang te verduidelijken voor deze soorten.

Het team werkt hier al enkele jaren aan. In 2017 was het voor het eerst dat een synthetische versie van brochosomen werd ontwikkeld om een beter begrip van hun functie te krijgen.

Het maken van deze brochosomen in het lab is een moeilijke taak gebleken, ondanks het feit dat wetenschappers ze al lang kennen. Dit is te wijten aan de geometrische complexiteit van deze deeltjes. Het is ook onbekend waarom deze insecten in de achtertuin deeltjes afscheiden met dergelijke complexe structuren.

Zelfs jaren geleden, toen de kenmerken van brochosomen, zoals de putjes en hun distributie, succesvol werden nagebootst met behulp van synthetische materialen, konden onderzoekers geen exacte replica maken. Nu is het voor het eerst dat het team de exacte geometrie van de natuurlijke brochosome heeft kunnen repliceren in een geschaalde vorm van 20.000 nanometer.

Nu gebruikt het onderzoeksteam een geavanceerde driedimensionale printmethode om deze complexe structuren in het lab te maken. Ze gebruikten twee-fotonenpolymerisatie (2PP) 3D-printen om hoge-trouw synthetische versies van brochosomen te fabriceren.

De studie merkte op dat, terwijl de beste 3D-printers objecten kunnen maken met een resolutie van 200 nm tot 500 nm, ze niet in staat zijn om de nanoschaalgeometrieën van natuurlijke brochosomen na te bootsen, die in het bereik van ~300 nm tot 600 nm liggen. Daarom gebruikten ze een schaalmethode en fabriceerden ze microscopische synthetische brochosomen als model systeem.

De synthetische brochosomen en hun doorlopende gat waren ontworpen met diameters van ongeveer 20 µm en 5 µm, om ervoor te zorgen dat de gedrukte structuren veel groter waren dan de resolutie van de 3D-printer. De resulterende structuur had 12 vijfhoekige doorlopende gaten en 20 zeshoekige doorlopende gaten die via een holle kern waren verbonden. Terwijl de schaal dikte 7% van de totale diameter was, was de wanddikte van het doorlopende gat 20%, waarmee de natuurlijke brochosomen werden nagebootst.

Het gefabriceerde monster bestond verder uit een array van 20 bij 20 synthetische brochosomen in een HCP-rooster, wat resulteerde in een pakdichtheid van ongeveer 91%. Een controlemmonster zonder doorlopende gaten werd ook gefabriceerd.

Het team onderzocht vervolgens de optische vorm-functierelatie van brochosomen, die aantoonde dat de hiërarchische geometrieën van brochosomen zijn geëngineerd binnen een smalle groottebereik met doorlopende gaten om lichtreflectie aanzienlijk te verminderen.

Om te onderzoeken hoe de brochosomen interactie aangaan met infraroodlicht van verschillende golflengtes, gebruikten de onderzoekers een Micro-Fourier-transformatie-infraroodspectrometer die hen hielp om te begrijpen hoe het licht door de structuren wordt gemanipuleerd.

De in het lab gemaakte deeltjes bleken in staat te zijn om lichtreflectie te verminderen met maximaal 94%, wat een grote zaak is, aangezien dit de allereerste keer is dat een soort in de natuur is gezien die licht op een dergelijke specifieke manier controleert met behulp van holle deeltjes.

Deze ontdekking suggereert ook de sterke mogelijkheid dat bladsnuitkevers zichzelf kunnen bedekken met brochosome-pantser om zich te verstoppen voor roofdieren, in plaats van de eerdere theorieën, die speculeerden dat dit een manier was om vrij te zijn van verontreinigingen en water, volgens co-auteur Wong.

Bovendien ontdekte het team dat de holle, buckyball-achtige verschijning van de brochosome, samen met de grootte van de gaten, een dubbele functie heeft van het absorberen van ultraviolet (UV) licht en het verstrooien van zichtbaar licht.

Interessant is dat de grootte consistent is gebleken over bladsnuitkeversoorten heen, ongeacht de grootte van het insect. Dus, brochosomen zijn ongeveer 600 nanometer in diameter, en de poriën zijn ongeveer 200 nanometer.

Deze consistentie vermindert de zichtbaarheid voor roofdieren zoals vogels en reptielen, die UV-visie hebben, door UV-licht te absorberen dat wordt gefaciliteerd door de grootte van de gaten. Bovendien creëert de verstrooiing van zichtbaar licht een anti-reflecterend schild tegen potentiële bedreigingen.

Klik hier om te lezen waarom 3D-printen een potentieel markt van $500 miljard is.

Prachtige potentiële toepassingen

Dus, met steun van het Office of Naval Research, kon de studie de antwoorden vinden op de complexiteit van structuren, waaruit bleek dat ze waren geëngineerd om breedbandige lichtverstrooiing te verbeteren. Bovendien vermindert de doorlopende gaten lichtreflectie door te functioneren als korte-golflengte, laagdoorlaatfilters.

Deze effecten stellen brochosomen in staat om een vermindering van 80 tot 94% in speculaire reflectie over een breedbandig golflengtebereik te bereiken. Deze bevindingen, volgens Lin Wang, de eerste auteur van de studie, die een postdoctorale onderzoeker is in de mechanische techniek, “kunnen zeer nuttig zijn voor technologische innovatie”.

Het hebben van een nieuwe manier om de reflectie van licht op een oppervlak te reguleren, kan wetenschappers in staat stellen om de thermische signalen van zowel machines als mensen te verbergen. Wang speculeert dat we op een dag misschien zelfs de trucs van bladsnuitkevers kunnen gebruiken om een thermische onzichtbaarheidscape voor onszelf te creëren, wat beloftevol is in militaire en surveillance-toepassingen.

“Ons werk toont aan hoe het begrijpen van de natuur ons kan helpen bij de ontwikkeling van moderne technologieën.”

– Wang

Enkele potentiële toepassingen van de bevindingen zijn geavanceerde zonnecrèmes om bescherming te bieden tegen zonneschade, waardoor het risico op huidkanker wordt vermindert. Bovendien kunnen coatings worden ontwikkeld om farmaceutische producten te beschermen tegen lichtgeïnduceerde schade, waardoor de werkzaamheid en duurzaamheid van gevoelige medicijnen wordt verbeterd. Onderzoekers merken ook op dat deze kennis kan leiden tot de ontwikkeling van meer efficiënte zonne-energie-opwekkingsystemen.

Terwijl het team succesvol exacte replica’s van natuurlijke brochosomen heeft gemaakt, is hun werk verre van voorbij. In de volgende stap zullen onderzoekers zich richten op het verbeteren van de fabricage van synthetische brochosomen om deze meer in overeenstemming te brengen met de grootte van hun natuurlijke tegenhangers.

Het team zal ook verdere toepassingen voor synthetische brochosomen onderzoeken, zoals in informatie-encryptie. De complexe structuren van brochosomen kunnen worden geïntegreerd in een encryptiesysteem waarin gegevens alleen zichtbaar zijn onder specifieke lichtgolflengtes, waardoor veilige communicatie mogelijk wordt.

Volgens Wang toont de studie de waarde van het nemen van inspiratie uit de natuur, die “een goede leraar is geweest voor wetenschappers om nieuwe geavanceerde materialen te ontwikkelen”.

Bladsnuitkevers zijn slechts een van de vele insectensoorten, wat het begin markeert; met zo “veel meer geweldige insecten daarbuiten die wachten op materiaalwetenschappers om te bestuderen”, verwacht Wang dat een dergelijk onderzoek “ons zal helpen om verschillende technische problemen op te lossen”.

De onderzoekers hebben een Amerikaans voorlopig octrooi aangevraagd voor hun werk, dat ook bijdragen zag van Zhuo Li, een doctoraalstudent in de mechanische techniek aan de Carnegie Mellon University, en Sheng Shen, een professor in de mechanische techniek aan de Carnegie Mellon University.

Producten geïnspireerd door succesvolle natuur reverse-engineering

De studie toont de grote implicaties van het leren van de natuur. Maar dit is geen nieuw fenomeen; mensen hebben zich al sinds het begin der tijden laten inspireren door de natuur.

Historisch gezien hebben de oude Grieken hun gebouwen geproportioneerd volgens de gulden snede. In de 19e eeuw gebruikten Spaanse kolonisten in Colorado de diepte van de holen van grondmollen om hun huizen boven de grond te bouwen. Nog onlangs hebben wetenschappers zelfs de evenwichtssystemen van insecten zoals kakkerlakken omgekeerd geëngineerd om stabielere robots te ontwerpen.

Geckos in het bijzonder zijn een grote bron van inspiratie geweest in de robotica-industrie. Ingenieurs aan de University of Waterloo hebben het gripvermogen van geckos en de efficiënte voortbeweging van inchworms bestudeerd om een kleine robot te creëren die op een dag misschien kan helpen bij chirurgische ingrepen.

De Max Planck-groep streeft ernaar om de inzichten die zijn verkregen uit de harde landingen van geckos te benutten om robotische luchtvaartuigen te helpen bij het uitvoeren van meer gedisciplineerde landingen. Zelfs NASA neemt inspiratie uit de reptielen, met hun gecko-lijm die al wordt getest op het Internationaal Ruimtestation. Ondertussen toont de RiSE-robot van Boston Dynamics, met zijn gecko-geïnspireerde voeten, hoe de genialiteit van de natuur kan worden gebruikt voor geweldige uitvindingen en producten.

Dus, laten we eens kijken naar een paar bedrijven die producten hebben ontwikkeld die zijn geïnspireerd door de natuur:

#1. Velcro Industries

In 1941 vond de Zwitserse ingenieur en ondernemer George de Mestral Velcro uit, een doorbraak die werd geïnspireerd door de klitten die hij op zichzelf en zijn hond vond. Bij het onderzoeken van de klit onder een microscoop, ontdekte hij een eenvoudig maar geniaal mechanisme: kleine haakjes en stoflussen die de klit strak aan oppervlakken lieten hechten. Dit leidde hem ertoe om de structuur van de klit na te bootsen als een potentieel sluitingsmechanisme.

Velcro’s ALFA-LOK-sluitingen zijn een ander voorbeeld hiervan, dat inspiratie haalt uit de unieke structuur van paddenstoelen. De sluiting heeft kleine haakjes in de vorm van paddenstoelkapjes, die kleine paraplu-achtige bovenkanten hebben om kleine sporen te bedekken en te beschermen, en bovenaan elk haakje zit een kapje om een veilige sluiting te helpen creëren.

Inspiratie uit de natuur, zoals Velcro het zegt, heeft het bevestigen van luiers voor baby’s, het naar de maan gaan en het creëren van meer dan 2.000 octrooien mogelijk gemaakt. Vandaag de dag is Velcro een soortnaam geworden en wordt het in een breed scala aan sectoren gebruikt, waaronder informatica, gezondheidszorg en de automotive-industrie.

#2. Sharklet Technologies

Om de verspreiding van bacteriën te bestrijden, ontwikkelt dit bedrijf oppervlakken die de groei van bacteriën en micro-organismen remmen – een ontwikkeling die toepassing vindt in de gezondheidszorg. In plaats van te vertrouwen op agressieve chemicaliën of antibiotica, halen deze oppervlakken hun antibacteriële eigenschappen uit hun structuur.

Deze oppervlakken hebben een unieke coating van microscopische patronen die zijn geïnspireerd op de textuur van haaienhuid. Gemeten op ongeveer 3 micron hoog en 2 micron breed, zijn deze patronen niet zichtbaar voor het blote oog of de aanraking van een vinger. Het bedrijf ontwikkelt verschillende varianten van het Sharklet-micropatroon, met positieve uitsteeksels die uit het oppervlak steken en inverse die in het materiaal zijn ingebed.

Het patroon kwam tot stand toen, in 2002, materiaalwetenschap en -technologieprofessor Dr. Anthony Brennan het antwoord vond op het probleem van het voorkomen dat algen zich op de rompen van schepen en duikboten vestigden. Bij het onderzoeken van de indruk van haaienhuid met een scanning-elektronenmicroscoop, ontdekte hij dat deze was gerangschikt in een diamantpatroon met kleine ribbels die de vestiging van micro-organismen op het oppervlak verhinderden.

#3. BioMASON

In de infrastructuursector gebruikt dit bedrijf biomimicry om cement te produceren, dat verantwoordelijk is voor 8% van de wereldwijde uitstoot van koolstofdioxide. Om de klimaatimpact van de bouw te verminderen, terwijl de vraag naar cement toeneemt, veranderde Biomason de manier waarop het cement produceert.

Het bedrijf, dat zijn technologie aan andere bedrijven aanbiedt, haalde inspiratie uit een van de sterkste en meest duurzame structuren in de natuur: koraalriffen. Door de natuurlijke vorming van calciumcarbonaat in schelpen en koraalriffen na te bootsen, past Biomason een soortgelijk proces toe voor de productie van zijn biocement, in plaats van kalksteen te verwarmen om zijn koolstof te extraheren.

Het streeft ernaar om biomimicry te gebruiken om sterke en duurzame materialen voor gebouwen te creëren. Het combineert aggregaat uit mijnafval en gebruikt micro-organismen als bindmiddel voor dit aggregaat, waarbij het de warmte van de zon gebruikt voor het droogproces nadat het is gereinigd. Het bedrijf heeft financiering ontvangen van de Advanced Research Project Agency van het ministerie van Defensie om Engineered Living Marine Cement te ontwikkelen. Bovendien is Project MEDUSA gaande, dat ertoe strekt om militaire banen en structuren in afgelegen gebieden te bouwen met behulp van micro-organismen.

Conclusie

Zoals Wang zei, zijn bladsnuitkevers en andere insecten “geen insecten; ze zijn inspiraties.” Al jarenlang hebben wetenschappers de natuur bestudeerd en gebruikt om producten te ontwerpen, zoals we hierboven hebben opgemerkt. Door voortdurend onderzoek, veelbelovende resultaten en hun toepassingen in gebieden zoals multispectrale camouflage, optische encryptie en omnidirectionele anti-reflecterende coatings, kunnen studies zoals de anti-reflecterende bladsnuitkever-brochosomen leiden tot veel technologische vooruitgang en grote veranderingen in verschillende industrieën.

Klik hier om te leren hoe robotica een aanwijzing kan krijgen van de natuur.