Biologische structuren hebben soms unieke eigenschappen die ingenieurs zouden willen kopiëren. Bijvoorbeeld, veel soorten insectenvleugels werpen water af, dood microben, reflecteren licht op ongebruikelijke manieren en zijn zelfreinigend. Terwijl onderzoekers de fysieke kenmerken hebben ontleed die waarschijnlijk bijdragen aan dergelijke eigenschappen, een nieuwe studie onthult dat de chemische verbindingen die de vleugels van cicades bedekken, ook bijdragen aan hun vermogen om water af te weren en microben te doden.

De wetenschappers rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Geavanceerde materiaalinterfaces .

De onderzoekers keken naar de fysieke eigenschappen en chemische kenmerken van de vleugels van twee cicadesoorten, Neotibicen pruinosus en Magicicada casinnii. N. pruinosus is een jaarlijkse cicade; M. casinnii komt eens in de 17 jaar uit de grond. Eerdere studies hebben aangetoond dat beide soorten een sterk geordend patroon van kleine pilaren hebben, nanopijlers genoemd, op hun vleugels. De nanopilaren dragen bij aan de hydrofobiciteit van de vleugels - ze stoten beter water af dan een regenjas - en spelen waarschijnlijk een rol bij het doden van microben die zich aan de vleugels proberen te hechten.

"Vóór deze studie wisten we veel over de oppervlaktestructuur van cicadevleugels, maar we wisten heel weinig over de chemie van die structuren, zei Marianne Alleyne, een entomologieprofessor aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign die de studie leidde met analytisch chemicus Jessica Román-Kustas, van de Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico; Donald Croek, van het US Army Corps of Engineers' Construction Engineering Research Laboratory; en Nenad Miljkovic, een professor in mechanische wetenschappen en techniek in Illinois.

Om nanopijlerchemie te bestuderen, Román-Kustas ontwikkelde een methode om de verbindingen aan het oppervlak geleidelijk te extraheren zonder de algehele structuur van de vleugels te beschadigen. Ze plaatste elke vleugel in oplosmiddel in een afgesloten kamer en zette ze langzaam in de magnetron.

"We hebben al deze verschillende verbindingen over verschillende tijdsperioden geëxtraheerd, en toen analyseerden we wat er uit kwam, "Zei Román-Kustas. "En we hebben ook gekeken naar de bijbehorende veranderingen in de nanopijlerstructuur."

De inspanning onthulde dat cicadevleugels bedekt zijn met een stoofpot van koolwaterstoffen, vetzuren en zuurstofhoudende moleculen zoals sterolen, alcoholen en esters. De zuurstofhoudende moleculen waren het meest overvloedig dieper in de nanopilaren, terwijl koolwaterstoffen en vetzuren meer van de buitenste nanopijlerlagen vormden.

"Het vinden van deze specifieke moleculen op het oppervlak is geen verrassing, " Zei Alleyne. "Koolwaterstoffen en vetzuren op de cuticula van insecten komen vrij vaak voor."

De verhouding van oppervlaktechemicaliën verschilde tussen de twee cicadesoorten, net als hun nanopijlerstructuren.

De studie onthulde dat het veranderen van de oppervlaktechemicaliën ook de structuur van de nanopilaar veranderde. In de N. pruinosis cicaden, de nanopijlers begonnen ten opzichte van elkaar te verschuiven toen de chemicaliën werden geëxtraheerd, en later verschoven naar een meer parallelle configuratie. Dit veranderde ook de bevochtigbaarheid en antimicrobiële eigenschappen van de vleugels.

De vleugels van de M. cassinni-cicades hadden kortere nanopilaren en een groter aandeel hydrofobe verbindingen op hun oppervlak. Hun configuratie-oriëntatie op de nanopijler veranderde niet als gevolg van het extraheren van hun oppervlaktechemicaliën.

Terwijl voorlopig, de nieuwe bevindingen bieden inzicht in het samenspel van structuur en chemie bij het bepalen van de functie, zei Alleyne. Door deze kenmerken te ontleden, de onderzoekers hopen op een dag kunstmatige structuren te ontwerpen met enkele van dezelfde oppervlaktekenmerken. Materialen vinden die water afgeven en microben doden, bijvoorbeeld, zou in veel toepassingen nuttig zijn, van landbouw tot geneeskunde, ze zei.