Synthetische microsferen met gaten op nanoschaal kunnen licht uit alle richtingen absorberen over een breed scala aan frequenties, waardoor ze een kandidaat zijn voor antireflectiecoatings, volgens een team van ingenieurs van Penn State. De synthetische bollen verklaren ook hoe het bladspringinsect soortgelijke deeltjes gebruikt om zich te verbergen voor roofdieren in zijn omgeving.

Wetenschappers weten al lang dat bladhoppers microdeeltjes extruderen, brochosomen genoemd, en veeg ze af aan hun vleugels. Omdat de deeltjes superhydrofoob zijn, de vleugels van de bladspringer blijven droog in natte omstandigheden. Wat vóór het huidige werk niet werd begrepen, is dat de brochosomen ook bladhoppers en hun eieren laten opgaan in hun achtergrond op de golflengten van licht die zichtbaar zijn voor hun belangrijkste roofdieren, zoals het lieveheersbeestje.

"We wisten dat onze synthetische deeltjes optisch interessant zouden kunnen zijn vanwege hun structuur, " zei Tak-Sing Wong, universitair docent werktuigbouwkunde en de Wormely Family Early Career Professor in Engineering. "We wisten niet, totdat mijn voormalige postdoc en hoofdauteur van de studie Shikuan Yang het ter sprake bracht in een groepsbijeenkomst, dat de bladtrechter deze niet-kleverige coatings heeft gemaakt met een natuurlijke structuur die erg lijkt op onze synthetische. Daardoor vroegen we ons af hoe de bladspringer deze deeltjes in de natuur heeft gebruikt."

Een zoektocht in de wetenschappelijke literatuur leverde niets op over het gebruik van de sprinkhanenbrochosomen als camouflage. Maar de afmetingen van de putjes in de synthetische microbolletjes liggen heel dicht bij de golflengte van licht, en kan tot 99 procent van het licht opvangen, variërend van ultraviolet tot zichtbaar en in het nabij-infrarood. Het deeltjesoppervlak werkt als een metamateriaal, het type materiaal dat wordt gebruikt in verhulapparaten.

"Het probleem is dat in het veld, deze bladhoppers produceren heel weinig van dit product, en het is heel moeilijk te verzamelen, " zei Wong. "Maar we hadden al grote hoeveelheden van deze structuren in het laboratorium geproduceerd, genoeg om in een machine te stoppen om naar hun optische eigenschappen te kijken."

In een paper dat vandaag (3 november) online is gepubliceerd in Natuur Communicatie, de onderzoekers simuleerden het zicht van insecten en ontdekten dat de brochosomen zeer waarschijnlijk camouflagecoatings zijn tegen roofdieren van bladspringers. Camouflage komt veel voor in de natuur, maar er zijn maar weinig voorbeelden van natuurlijke antireflectiecoatings, mottenogen zijn een prominente uitzondering. Mottenogen zijn bedekt met antireflecterende nanostructuren die voorkomen dat het licht er 's nachts van weerkaatst wanneer roofdieren ze kunnen zien.

De synthetische microsferen worden geproduceerd via een vrij complex vijfstappenproces met behulp van elektrochemische depositie. Echter, het proces kan worden opgeschaald en er kunnen veel verschillende materialen worden gebruikt om de synthetische brochosomen te maken, zoals goud, zilver, mangaanoxide of zelfs een geleidend polymeer.

"Verschillende materialen hebben hun eigen toepassingen, " zei Wong. "Bijvoorbeeld, mangaanoxide is een zeer populair materiaal dat wordt gebruikt in supercondensatoren en batterijen. Door het grote oppervlak dit deeltje zou een goede batterij-elektrode kunnen zijn en een hogere chemische reactie mogelijk maken."

Als antireflectiecoating, dit materiaal zou toepassingen kunnen hebben in sensoren en camera's, waar het opvangen van ongewenste lichtreflectie de signaal-ruisverhouding zou kunnen verhogen. Dit kan ook bijzonder nuttig zijn in telescopen. Voor zonneceltoepassingen, een coating van synthetische brochosomen zou de lichtopname op meerdere golflengten en vanuit elke hoek kunnen vergroten dankzij de 3D-voetbalvormige structuur van de bollen, waardoor het niet nodig is om apparaten te bouwen om de zon te volgen.

"Dit artikel is meer een fundamentele studie, " zei Wong. "In de toekomst, we kunnen proberen de structuur uit te breiden tot langere golflengten. Als we de structuur wat groter zouden maken, zou het langere elektromagnetische golven kunnen absorberen, zoals midden-infrarood, en verdere toepassingen mogelijk maken in detectie en het oogsten van energie?"

Dat moet nog worden bestudeerd.