Aprendendo com a Natureza – Manipulando a Luz com a Ajuda dos Cicadíneos

A novo estudo liderado por pesquisadores da Pennsylvania State University descobriu que as pequenas partículas secretadas pelos cicadíneos, que são comumente encontrados em nossos quintais, podem nos ajudar a construir tecnologia de próxima geração. 

Publicado recentemente na PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, os pesquisadores, pela primeira vez, conseguiram replicar exatamente a geometria complexa das misteriosas partículas, chamadas brochosomas, e como elas absorvem luz.

O fato é que muitos materiais funcionais naturais consistem em micro e nanoestruturas hierárquicas que são partes integrantes das superfícies biológicas. Os cicadíneos, em particular, excretam brochosomas e os utilizam como materiais implantáveis em suas superfícies corporais.

Os brochosomas são esferoides intricadamente estruturados, em forma de buckyball, com furos atravessantes produzidos pelo cicadíneo. Eles são ocos e nanoscópicos, ou seja, extremamente pequenos e estão na escala nanométrica, que é um bilionésimo de metro. Essas partículas hidrofóbicas são secretadas pelos cicadíneos e encontradas na superfície de seus corpos.

Embora tenham sido descobertos pela primeira vez há muitas décadas, nos anos 1950, ainda não compreendemos o significado funcional da geometria dos brochosomas, algo que este estudo pretende mudar.

Tak-Sing Wong, professor de engenharia biomédica e engenharia mecânica na Penn State, liderou o estudo. Ele descobriu que os furos atravessantes dos brochosomas podem ajudar a reduzir a reflexão da luz. Isso marca o primeiro exemplo biológico que demonstra funcionalidade antirreflexo de baixa passagem para comprimentos de onda curtos, referindo-se a um revestimento óptico que reduz a reflexão em certa faixa de comprimentos de onda curtos enquanto permite que comprimentos de onda mais longos passem.

A geometria única dos brochosomas, de acordo com o estudo, poderia permitir o desenvolvimento de materiais ópticos bioinspirados (materiais finamente ajustados e responsivos inspirados em estruturas naturais encontradas em organismos vivos).

Esse desenvolvimento difere do efeito antirreflexo de olho de mariposa, que inspirou revestimentos altamente eficazes para uso em painéis solares, smartphones e tablets. Os olhos das mariposas são não refletivos devido à estrutura periódica em escala nanométrica da superfície, fazendo com que a luz incidente se espalhe em direções aleatórias. Como resultado, em vez de ser refletida, a luz é transmitida para o olho.

Portanto, os brochosomas dos cicadíneos oferecem uma abordagem distinta para manipulação óptica bioinspirada, com possíveis aplicações em revestimentos, dispositivos de camuflagem invisível e colheita de energia solar mais eficiente.

Replicando as Estruturas Complexas dos Brochosomas

Dada a compreensão limitada da geometria única dos brochosomas, sua presença consistente em várias espécies de cicadíneos e a incerteza sobre seus tamanhos e furos atravessantes, tipicamente variando em centenas de nanômetros, os pesquisadores da Penn State realizaram este estudo para desvendar esses mistérios e elucidar sua importância para essas espécies.

A equipe tem trabalhado nisso há vários anos. Em 2017, foi na verdade a primeira vez que uma versão sintética dos brochosomas foi desenvolvida para obter uma melhor compreensão de sua função.

Fabricar esses brochosomas no laboratório tem sido uma tarefa desafiadora, apesar de os cientistas os conhecerem há tanto tempo. Isso se deve à complexidade geométrica dessas partículas. Também se desconhecia por que esses insetos de quintal secretam partículas com estruturas tão complexas.

Mesmo anos atrás, enquanto características dos brochosomas como cavidades e sua distribuição foram imitadas com sucesso usando materiais sintéticos, os pesquisadores não conseguiram criar uma réplica exata. Agora é a primeira vez que a equipe conseguiu replicar a geometria exata do brochosoma natural em uma forma escalada de 20.000 nanômetros.

Agora, para criar essas estruturas complexas no laboratório, a equipe de pesquisa utilizou um método avançado de impressão tridimensional. Eles empregaram impressão 3D por polimerização de dois fótons (2PP) para fabricar versões sintéticas de alta fidelidade dos brochosomas.

O estudo observou que, embora as melhores impressoras 3D possam criar objetos com resolução de 200 nm a 500 nm, elas não conseguem replicar as geometrias em escala nanométrica dos brochosomas naturais, que estão na faixa de ~300 nm a 600 nm. Portanto, eles usaram uma técnica de modelo de escala e então fabricaram brochosomas sintéticos microscópicos como um sistema modelo.

Os brochosomas sintéticos e seus furos atravessantes foram projetados com diâmetros de cerca de 20 µm e 5 µm, respectivamente, para garantir que as estruturas impressas fossem muito maiores que a resolução da impressora 3D. A estrutura resultante tinha 12 furos atravessantes pentagonais e 20 furos atravessantes hexagonais conectados por um núcleo oco. Enquanto a espessura da casca era 7% do diâmetro total, a espessura da parede do furo atravessante era 20%, imitando os brochosomas naturais.

A amostra fabricada consistia ainda de uma matriz de 20 por 20 brochosomas sintéticos em uma rede HCP que resultou em uma densidade de empacotamento de cerca de 91%. Uma amostra de controle que não possuía estruturas de furos atravessantes também foi fabricada.

A equipe então examinou a relação forma-função óptica dos brochosomas, que mostrou que as geometrias hierárquicas dos brochosomas são projetadas dentro de uma faixa estreita de tamanho com arquitetura de furos atravessantes para reduzir significativamente a reflexão da luz.

Para investigar como os brochosomas interagem com luz infravermelha de diferentes comprimentos de onda, os pesquisadores usaram um espectrômetro infravermelho de transformada de Fourier micro (FTIR) que os ajudou a entender como a luz é manipulada pelas estruturas.

As partículas produzidas em laboratório foram encontradas capazes de reduzir a reflexão da luz em até 94%, o que é significativo, pois é a primeira vez que uma espécie na natureza é vista controlando a luz de maneira tão específica usando partículas ocas.

Essa descoberta também sugere a forte possibilidade de que os cicadíneos se cubram com uma armadura de brochosomas para se camuflar e evitar predadores, em vez das teorias anteriores que especulavam que isso seria uma forma de mantê-los livres de contaminantes e água, segundo o coautor Wong.

Além disso, a equipe descobriu que a aparência oca e em forma de buckyball do brochosoma, juntamente com o tamanho de seus furos, serve a um duplo propósito de absorver luz ultravioleta (UV) e espalhar luz visível.

Curiosamente, o tamanho foi encontrado consistente entre as espécies de cicadíneos, independentemente do tamanho corporal do inseto. Assim, os brochosomas têm cerca de 600 nanômetros de diâmetro, e os poros têm cerca de 200 nanômetros.

Essa consistência reduz a visibilidade para predadores como pássaros e répteis, que possuem visão UV, ao absorver luz UV facilitada pelo tamanho dos furos. Além disso, o espalhamento da luz visível cria um escudo antirreflexo contra possíveis ameaças.

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Aplicações Potenciais Maravilhosas

Assim, com o apoio do Office of Naval Research, o estudo conseguiu encontrar a resposta para a complexidade das estruturas, mostrando que foram projetadas para melhorar a dispersão de luz de banda larga. Além disso, os furos atravessantes reduziram ainda mais a reflexão da luz ao funcionar como filtros de baixa passagem para comprimentos de onda curtos.

Esses efeitos permitem que os brochosomas alcancem uma redução de 80 a 94% na reflexão especular ao longo de uma faixa de comprimento de onda de banda larga. Essas descobertas, segundo Lin Wang, autor principal do estudo e bolsista de pós-doutorado em engenharia mecânica, “podem ser muito úteis para a inovação tecnológica”.

Ter uma nova forma de regular a reflexão da luz em uma superfície pode permitir que cientistas ocultem as assinaturas térmicas tanto de máquinas quanto de humanos. Wang postula que um dia possamos até utilizar os truques dos cicadíneos para criar um manto de invisibilidade térmica para nós mesmos, o que tem potencial em aplicações militares e de vigilância.

“Nosso trabalho mostra como entender a natureza pode nos ajudar a desenvolver tecnologias modernas.” 

– Wang

Algumas aplicações potenciais das descobertas incluem protetores solares avançados para proteger contra danos solares, reduzindo o risco de câncer de pele. Além disso, revestimentos podem ser desenvolvidos para proteger fármacos de danos induzidos por luz, aumentando a eficácia e durabilidade de medicamentos sensíveis. Os pesquisadores também observaram que esse conhecimento poderia levar ao desenvolvimento de sistemas de colheita de energia solar mais eficientes.

Embora a equipe tenha criado réplicas exatas dos brochosomas naturais, seu trabalho está longe de terminar. No próximo passo, os pesquisadores focarão em melhorar a fabricação de brochosomas sintéticos para que correspondam mais de perto ao tamanho de seus equivalentes naturais.

A equipe também explorará aplicações adicionais para brochosomas sintéticos, como na criptografia de informações. As estruturas complexas dos brochosomas poderiam ser integradas a um sistema de criptografia onde os dados são visíveis apenas sob comprimentos de onda específicos de luz, permitindo comunicação segura.

De acordo com Wang, o estudo mostra o valor de se inspirar na natureza, que “tem sido um bom professor para os cientistas desenvolverem materiais avançados e inovadores”.

Os cicadíneos são apenas uma das muitas espécies de insetos, marcando apenas o começo; com tantos “insetos incríveis esperando para serem estudados pelos cientistas de materiais”, Wang antecipa que tal pesquisa “nos ajudará a resolver vários problemas de engenharia”.

Os pesquisadores registraram uma patente provisória nos EUA para seu trabalho, que também contou com contribuições de Zhuo Li, candidato a doutorado em engenharia mecânica na Carnegie Mellon University, e Sheng Shen, professor de engenharia mecânica na Carnegie Mellon University.

Produtos Inspirados em Engenharia Reversa da Natureza Bem-Sucedida 

O estudo mostra as grandes implicações de aprender com a natureza. Mas isso não é um fenômeno novo; os humanos têm se inspirado na natureza desde o início dos tempos.

Historicamente, os antigos gregos proporcionavam seus edifícios de acordo com a proporção áurea. No século XIX, colonos espanhóis no Colorado utilizaram as profundidades das tocas de esquilos-coruja para construir suas casas acima do solo. Mais recentemente, cientistas até reverteram os sistemas de equilíbrio de insetos como baratas para projetar robôs mais estáveis.

Os gecos, em particular, têm sido uma grande fonte de inspiração na indústria de robótica. Engenheiros da University of Waterloo estudaram a capacidade de aderência dos gecos e da locomoção eficiente de minhocas para criar um pequeno robô que se espera ajude médicos a realizar cirurgias um dia.

O grupo Max Planck pretende aproveitar as percepções obtidas dos pousos duros dos gecos para ajudar veículos aéreos robóticos a realizar pousos mais disciplinados. Até a NASA está se inspirando nos répteis, com seu adesivo de geco já sendo testado na Estação Espacial Internacional. Enquanto isso, o robô RiSE da Boston Dynamics, com pés inspirados em gecos, demonstra como o brilho da natureza pode ser usado para invenções e produtos incríveis.

Então, vamos dar uma olhada em algumas empresas que projetaram e desenvolveram produtos inspirados na natureza:

#1. Velcro Industries

Em 1941, o engenheiro e empresário suíço George de Mestral inventou o Velcro, uma inovação inspirada nos carrapichos que encontrou em si mesmo e em seu cachorro. Ao examinar o carrapicho sob um microscópio, ele descobriu um mecanismo simples porém engenhoso: pequenos ganchos e laços de tecido que permitiam ao carrapicho aderir firmemente às superfícies. Isso o levou a replicar a estrutura do carrapicho como um possível fixador.

Os fixadores da marca ALFA-LOK da Velcro são outro exemplo disso, que se inspiram na estrutura única dos cogumelos. O fixador apresenta pequenos ganchos em forma de chapéus de cogumelos, que são pequenas capas semelhantes a guarda-chuvas que cobrem e protegem esporos minúsculos, e no topo de cada gancho há uma tampa que ajuda a criar um fechamento seguro.

A inspiração da natureza, como diz a Velcro, garantiu fraldas infantis, nos enviou à lua e criou mais de 2.000 patentes. Hoje, Velcro se tornou um termo genérico e está sendo usado em uma ampla gama de setores, incluindo computação, saúde e a indústria automotiva.

#2. Sharklet Technologies 

Para combater a propagação de bactérias, esta empresa desenvolve superfícies que inibem o crescimento de bactérias e micróbios — um desenvolvimento que encontra aplicação em ambientes de saúde. Em vez de depender de produtos químicos agressivos ou antibióticos, essas superfícies derivam suas propriedades antibacterianas de sua própria estrutura.

Essas superfícies apresentam um revestimento único de padrões microscópicos inspirados na textura da pele de tubarão. Medidos em cerca de 3 micrômetros de altura e 2 micrômetros de largura, esses padrões são imperceptíveis a olho nu ou ao toque de um dedo. A empresa desenvolve várias variações do micropadrão Sharklet, com os positivos projetando-se para fora da superfície enquanto os inversos são rebaixados na superfície do material.

<he descobriu que estava organizado em um padrão de diamante com pequenas ribelas que impedem a colonização de microrganismos na superfície.

#3. BioMASON

No setor de infraestrutura, esta empresa está utilizando biomimética para produzir cimento, que responde por 8% das emissões globais de dióxido de carbono. Para reduzir o impacto climático da construção à medida que a demanda por cimento cresce, a Biomason mudou a forma como produz cimento.

A empresa, que comercializa sua tecnologia para outras companhias, se inspirou em uma das estruturas mais robustas e duradouras da natureza: recifes de coral. Imitando a formação natural de carbonato de cálcio em conchas e recifes de coral, a Biomason adota um processo semelhante para fabricar seu biocimento ao invés de aquecer calcário para extrair seu carbono.

Agora visa usar biomimética para criar materiais fortes e sustentáveis para construções. Incorpora agregado de resíduos de mineração e emprega microrganismos como agente aglutinante para esse agregado, contando com o calor do sol para o processo de secagem após a limpeza. A empresa garantiu financiamento da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) para desenvolver Cimento Marinho Vivo Engenharia. Além disso, o Projeto MEDUSA está em andamento, visando construir pistas e estruturas de grau militar em áreas remotas usando microrganismos.

Conclusão

Como Wang disse, cicadíneos e outros insetos “não são insetos; são inspirações”. Por anos, cientistas estudaram a natureza e a utilizaram para projetar produtos, como observamos acima. Através de pesquisas contínuas, resultados promissores e suas subsequentes aplicações em áreas como camuflagem multiespectral, criptografia óptica e revestimentos antirreflexo omnidirecionais, estudos como os brochosomas antirreflexos dos cicadíneos podem levar a muitos avanços tecnológicos e provocar mudanças imensas em várias indústrias.

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Algumas podem levar a muitos avanços tecnológicos e provocar mudanças imensas em várias indústrias. Clique aqui para aprender como a robótica pode se inspirar na natureza.