Lære av naturen – Manipulere lys med hjelp fra bladlus

En ny studie ledet av forskere ved Pennsylvania State University har funnet at de små partiklene som bladlus utskiller, og som ofte finnes i hagen vår, kan hjelpe oss med å bygge neste generasjons teknologi. 

Publisert nylig i PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, klarte forskerne for første gang å nøyaktig replikere den komplekse geometrien til de mystiske partiklene, som kalles brochosomer, og hvordan de absorberer lys.

Mange naturlige funksjonelle materialer består av hierarkiske mikro- og nanostrukturer som er integrerte deler av biologiske overflater. Bladlus, spesielt, utskiller brochosomer og bruker dem som utskiftbare materialer på kroppsoverflatene sine.

Brochosomer er intrikat strukturerte, buckyball‑formede sfærer med gjennomgående hull som produseres av bladlus. De er hule og nanoskale, noe som betyr at de er ekstremt små og befinner seg på nanometerskalaen, som er en milliarddel av en meter. Disse hydrofobe partiklene utskilles av bladlus og finnes på kroppsoverflaten deres. 

Selv om de først ble oppdaget for flere tiår siden på 1950‑tallet, har vi fortsatt ingen forståelse av den funksjonelle betydningen av brochosomgeometrien, noe denne studien har som mål å endre.

Tak‑Sing Wong, professor i biomedisinsk ingeniørvitenskap og maskinteknikk ved Penn State, ledet studien. Den fant at gjennomgående hull i brochosomer kan bidra til å redusere lysrefleksjon. Dette markerer det første biologiske eksempelet som demonstrerer kortbølget, lavpass antirefleksjonsfunksjonalitet, som refererer til en optisk belegg som reduserer refleksjon over et bestemt område av kortere bølgelengder samtidig som den lar lengre bølgelengder passere.

Den unike geometrien til brochosomer, ifølge studien, kan muliggjøre utviklingen av bioinspirerte optiske materialer (finjusterte og responsive materialer inspirert av naturlige strukturer funnet i levende organismer).

Denne utviklingen skiller seg fra den antireflektive møløy‑effekten, som har inspirert svært effektive belegg for bruk i solcellepaneler, smarttelefoner og nettbrett. Møløyene er ikke‑reflekterende på grunn av overflatens periodiske nanoskalastruktur, som får innkommende lys til å spre seg i tilfeldige retninger. Som et resultat blir lyset, i stedet for å reflekteres, transmittert inn i øyet.

Dermed gir bladlusens brochosomer en distinkt tilnærming for bioinspirert optisk manipulering, med mulige anvendelser i belegg, usynlige kamuflasjeenheter og mer effektiv innhøsting av solenergi.

Replikering av de komplekse strukturene til brochosomer

Gitt den begrensede forståelsen av brochosomenes unike geometri, deres konsistente tilstedeværelse på tvers av ulike bladlusarter, og usikkerheten rundt deres størrelser og gjennomgående hull, som vanligvis varierer i hundrevis av nanometer, forskerne ved Penn State tok på seg denne studien for å avdekke disse mysteriene og belyse deres betydning for disse artene.

Teamet har jobbet med dette i flere år nå. Tilbake i 2017 var det faktisk første gang en syntetisk versjon av brochosomer ble utviklet for å få en bedre forståelse av deres funksjon.

Å lage disse brochosomene i laboratoriet har vært en utfordrende oppgave til tross for at forskere har kjent til dem så lenge. Dette skyldes den geometriske kompleksiteten til disse partiklene. Det har også vært ukjent hvorfor disse hageinsektene i det hele tatt utskiller partikler med så komplekse strukturer.

Selv for flere år siden, mens brochosomenes egenskaper som fordypninger og deres fordeling ble etterlignet med syntetiske materialer, klarte forskerne ikke å lage en nøyaktig kopi. Nå er det første gang teamet har kunnet replikere den eksakte geometrien til den naturlige brochosomen i en skalert form på 20 000 nanometer.

For å lage disse komplekse strukturene i laboratoriet, benyttet forskningsteamet en høyteknologisk tredimensjonal utskriftsmetode. De brukte to‑foton polymerisering (2PP) 3D‑utskrift for å fremstille syntetiske brochosomer med høy nøyaktighet.

Studien bemerket at selv de beste 3D‑printerne kan lage objekter med en oppløsning på 200 nm til 500 nm, men de klarer ikke å replikere de nanoskalige geometriene til naturlige brochosomer, som ligger i området ~300 nm til 600 nm. Derfor brukte de en skaleringsmodellteknikk og fremstilte mikroskopiske syntetiske brochosomer som et modellsystem.

De syntetiske brochosomene og deres gjennomgående hull ble designet med diametre på omtrent 20 µm og 5 µm henholdsvis, for å sikre at de utskrevne strukturene var mye større enn 3D‑printerens oppløsning. Den resulterende strukturen hadde 12 femkantede gjennomgående hull og 20 sekskantede gjennomgående hull som var koblet via en hul kjerne. Mens skalltykkelsen var 7 % av den totale diameteren, var veggtykkelsen på gjennomgående hull 20 %, noe som etterligner de naturlige brochosomene.

Den fremstillede prøven besto videre av et rutenett på 20 × 20 syntetiske brochosomer i et HCP‑gitter som resulterte i en pakkingsgrad på omtrent 91 %. En kontrollprøve uten gjennomgående hull ble også fremstilt.

Teamet undersøkte deretter det optiske form‑til‑funksjonsforholdet til brochosomer, som viste at brochosomenes hierarkiske geometrier er konstruert innenfor et smalt størrelsesområde med gjennomgående hull‑arkitektur for å redusere lysrefleksjon betydelig.

For å undersøke hvordan brochosomene samhandler med infrarødt lys av ulike bølgelengder, brukte forskerne et mikro‑Fourier‑transform infrarød (FTIR) spektrometer som hjalp dem å forstå hvordan lyset manipuleres av strukturene.

De laboratoriefremstilte partiklene ble funnet å kunne redusere lysrefleksjon med opptil 94 %, noe som er betydningsfullt siden dette er første gang en art i naturen er observert å kontrollere lys på en så spesiell måte ved bruk av hule partikler.

Denne oppdagelsen antyder også en sterk mulighet for at bladlus dekker seg med brochosom‑rustning for å kamuflere seg og unngå rovdyr, i stedet for de tidligere teoriene som spekulerte at dette var en måte for dem å bli fri for forurensninger og vann, ifølge medforfatter Wong.

Videre oppdaget teamet at den hule, buckyball‑formede utseendet til brochosomen, sammen med størrelsen på hullene, tjener et dobbelt formål: å absorbere ultrafiolett (UV) lys og spre synlig lys.

Interessant nok har størrelsen vist seg å være konsistent på tvers av bladlusarter, uavhengig av insektets kroppsstørrelse. Så er brochosomer omtrent 600 nanometer i diameter, og porene er omtrent 200 nanometer.

Denne konsistensen reduserer synligheten for rovdyr som fugler og reptiler, som har UV‑syn, ved å absorbere UV‑lys som muliggjøres av hullenes størrelse. I tillegg skaper spredning av synlig lys et antirefleksjons­skjold mot potensielle trusler.

Klikk her for å lese hvorfor 3D‑utskrift er et potensielt marked på 500 milliarder dollar.

Fantastiske potensielle anvendelser

Støttet av Office of Naval Research klarte studien å finne svaret på kompleksiteten i strukturene, og viste at de var konstruert for å forbedre bredbåndslysspredning. I tillegg reduserte gjennomgående hull ytterligere lysrefleksjon ved å fungere som kortbølgete lavpassfiltre.

Disse effektene gjør det mulig for brochosomer å oppnå en reduksjon på 80 til 94 % i spekulær refleksjon over et bredbånds bølgelengdeområde. Disse funnene, ifølge Lin Wang, hovedforfatter av studien og postdoktor i maskinteknikk, «kan være svært nyttige for teknologisk innovasjon».

Å ha en ny måte å regulere lysrefleksjon på en overflate kan gjøre det mulig for forskere å skjule de termiske signaturene til både maskiner og mennesker. Wang postulerer at vi en dag kan bruke bladlusens triks til å lage en termisk usynlighetskappe for oss selv, noe som har potensial i militære og overvåkningsapplikasjoner.

“Vårt arbeid viser hvordan forståelse av naturen kan hjelpe oss med å utvikle moderne teknologier.” 

– Wang

Noen potensielle anvendelser av funnene inkluderer avanserte solkremer for å beskytte mot solskader, og redusere risikoen for hudkreft. I tillegg kan belegg utvikles for å beskytte legemidler mot lysindusert skade, og dermed forbedre effektiviteten og holdbarheten til følsomme medisiner. Forskerne bemerket også at denne kunnskapen kan føre til utviklingen av mer effektive systemer for innhøsting av solenergi.

Selv om teamet har lykkes med å lage nøyaktige kopier av naturlige brochosomer, er arbeidet langt fra ferdig. I neste steg vil forskerne fokusere på å forbedre fremstillingen av syntetiske brochosomer for å komme nærmere størrelsen på deres naturlige motparter.

Teamet vil også utforske ytterligere anvendelser for syntetiske brochosomer, for eksempel innen informasjonskryptering. De komplekse strukturene til brochosomer kan integreres i et krypteringssystem hvor data kun er synlige under spesifikke lysbølgelengder, noe som muliggjør sikker kommunikasjon.

Ifølge Wang viser studien verdien av å hente inspirasjon fra naturen, som «har vært en god lærer for forskere i utviklingen av nye avanserte materialer».

Bladlus er bare en av mange insektarter, og markerer bare begynnelsen; med så «mange flere fantastiske insekter der ute som venter på at materialforskere skal studere dem», forutser Wang at slik forskning vil «hjelpe oss med å løse ulike ingeniørproblemer».

Forskerne har innlevert et amerikansk provisorisk patent for sitt arbeid, som også inkluderte bidrag fra Zhuo Li, doktorgradsstudent i maskinteknikk ved Carnegie Mellon University, og Sheng Shen, professor i maskinteknikk ved Carnegie Mellon University.

Produkter inspirert av vellykket natur‑reverseringsteknikk 

Studien viser de store implikasjonene av å lære av naturen. Men dette er ikke et nytt fenomen; mennesker har blitt inspirert av naturen siden tidens begynnelse.

Historisk sett dimensjonerte de gamle grekerne bygningene sine i henhold til det gyldne snitt. På 1800‑tallet utnyttet spanske nybyggere i Colorado dybden i de colombianske jordekornenes huler for å bygge sine hjem over bakken. Mer nylig har forskere til og med reversert ingeniørkunsten til balansesystemene til insekter som kakerlakker for å designe mer stabile roboter.

Geckoer har spesielt vært en stor inspirasjonskilde i robotikkindustrien. Ingeniører ved University of Waterloo studerte grepsevnen til gekkoer og meitemarkers effektive bevegelse for å skape en liten robot som en dag kan hjelpe leger med kirurgi.

Max Planck‑gruppen har som mål å utnytte innsiktene fra gekkoers harde landinger for å hjelpe luftfartøy med robotikk med å oppnå mer disiplinert perching. Selv NASA henter inspirasjon fra reptilene, med sin gekko‑adhesive som allerede testes på den internasjonale romstasjonen. I mellomtiden viser Boston Dynamics’ RiSE‑robot, med sine gekko‑inspirerte føtter, akkurat hvordan naturens briljans kan brukes til fantastiske oppfinnelser og produkter.

La oss derfor se på et par selskaper som har designet og utviklet produkter som er inspirert av naturen:

#1. Velcro Industries

Tilbake i 1941 oppfant den sveitsiske ingeniøren og entreprenøren George de Mestral Velcro, et gjennombrudd inspirert av de burrene han fant på seg selv og hunden sin. Da han undersøkte burren under et mikroskop, oppdaget han en enkel, men genial mekanisme: små kroker og stoffsløyfer som gjorde at burren kunne feste seg tett til overflater. Dette førte ham til å etterligne burrens struktur som en potensiell festemekanisme.

Velcros merkevare ALFA-LOK-festene er et annet eksempel på dette, og henter inspirasjon fra den unike strukturen til sopp. Festet har små kroker formet som soppens hatter, som er små paraply‑lignende topper som dekker og beskytter små sporer, og på toppen av hver krok er en hatt som bidrar til å skape en sikker lukking.

Inspirasjon fra naturen, som Velcro sier, har sikret babybleier, sendt oss til månen, og skapt over 2 000 patenter. I dag har Velcro blitt et generisk begrep og brukes i en rekke sektorer, inkludert databehandling, helsevesen og bilindustrien.

#2. Sharklet Technologies 

For å bekjempe spredning av bakterier utvikler dette selskapet overflater som hemmer veksten av bakterier og mikrober – en utvikling som finner anvendelse i helsesektoren. I stedet for å stole på sterke kjemikalier eller antibiotika, får disse overflatene sine antibakterielle egenskaper fra selve strukturen.

Disse overflatene har en unik belegg av mikroskopiske mønstre inspirert av teksturen til haikinn. Målt til omtrent 3 mikroner i høyde og 2 mikroner i bredde, er disse mønstrene umerkelige for det blotte øye eller berøring av en finger. Selskapet utvikler flere varianter av Sharklet‑mikromønsteret, med positive som stikker ut fra overflaten mens inverse er innfelt i materialets overflate.

Mønsteret oppsto da, i 2002, professor i materialvitenskap og ingeniørfag Dr. Anthony Brennan fant svaret på problemet med å holde alger fra å dekke skip og ubåters skrog. Ved å undersøke inntrykket av haikinn med skannende elektronmikroskopi oppdaget han at det var arrangert i et diamantmønster med små ribber som hindrer mikroorganismer i å sette seg fast på det.

#3. BioMASON

I infrastruktursektoren bruker dette selskapet biomimikry for å produsere sement, som står for 8 % av de globale CO₂‑utslippene. For å redusere klimaavtrykket fra bygging etter hvert som etterspørselen etter sement øker, har Biomason endret måten de produserer sement på.

Selskapet, som markedsfører sin teknologi til andre selskaper, hentet inspirasjon fra en av naturens mest robuste og varige strukturer: korallrev. Ved å etterligne den naturlige dannelsen av kalsiumkarbonat i skall og korallrev, bruker Biomason en lignende prosess for å fremstille sitt biocement i stedet for å varme opp kalkstein for å ekstrahere karbon.

Det har nå som mål å bruke biomimikry for å skape sterke og bærekraftige materialer for bygninger. Det inkorporerer tilslag fra gruvedriftavfall og bruker mikroorganismer som bindemiddel for dette tilslaget, og benytter solens varme til tørkeprosessen etter at det er renset. Selskapet har sikret finansiering fra Department of Defence Advanced Research Project Agency for å utvikle Engineered Living Marine Cement. Videre pågår prosjekt MEDUSA, som har som mål å bygge militærstandard flyplasser og strukturer i avsidesliggende områder ved hjelp av mikroorganismer.

Konklusjon

Som Wang sa, er bladlus og andre insekter «ikke bare feil; de er inspirasjoner». I flere år har forskere studert naturen og brukt den til å designe produkter, som vi nevnte ovenfor. Gjennom kontinuerlig forskning, lovende resultater og deres påfølgende anvendelser innen områder som multispektral kamuflasje, optisk kryptering og omnidireksjonale antirefleksjonsbelegg, kan studier som de antireflektive bladlus‑brochosomene føre til mange teknologiske fremskritt og medføre enorme endringer på tvers av ulike industrier.

Klikk her for å lære hvordan robotikk kan ta inspirasjon fra naturen.