Felgekleurde Australische pauwspinnen ( Maratus spp. ) boeien zelfs de meest arachnofobe kijkers met hun flamboyante verkeringshows met diverse en ingewikkelde lichaamskleuringen, patronen, en bewegingen - allemaal verpakt in miniatuurlichamen die voor veel soorten minder dan 5 mm groot zijn. Echter, deze displays zijn niet alleen mooi om naar te kijken, ze inspireren ook nieuwe manieren voor mensen om kleur te produceren in technologie.

Een soort pauwspin - de regenboogpauwspin ( Maratus robinsoni ) - is bijzonder indrukwekkend, omdat het een intens regenboog-iriserend signaal laat zien in de verkering van de mannetjes aan de vrouwtjes. Dit is het eerste bekende geval in de natuur van mannetjes die een hele regenboog van kleuren gebruiken om vrouwtjes te verleiden om te paren. Maar hoe maken mannetjes hun regenbogen?

Om erachter te komen dat het antwoord inherent interdisciplinair was, stelde Dr. Bor-Kai Hsiung - nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Scripps Institution of Oceanography aan de University of California San Diego - een team samen met biologen, natuurkundigen en ingenieurs terwijl hij een Ph.D. student aan de University of Akron's (UA) Integrated Bioscience Ph.D. programma onder het mentorschap van Dr. Todd Blackledge en Dr. Matthew Shawkey (nu aan de Universiteit van Gent), en ondersteund door UA's Biomimicry Research and Innovation Center. Het team omvatte onderzoekers uit de Verenigde Staten - UA, Scripps Instituut voor Oceanografie, Californië Instituut voor Technologie (Caltech), en Universiteit van Nebraska-Lincoln (UNL) - België (Universiteit Gent), Nederland (Rijksuniversiteit Groningen), en Australië om te ontdekken hoe regenboogpauwspinnen dit unieke iriserende signaal produceren.

Het team onderzocht de fotonische structuren van de spin met behulp van technieken zoals licht- en elektronenmicroscopie, hyperspectrale beeldvorming, beeldspreiding en optische modellering om hypothesen te genereren over hoe de schaal van de spin zulke intense regenbogen genereert. Het team gebruikte vervolgens geavanceerde nano 3D-printen om verschillende prototypes te fabriceren om hun hypothesen te testen en te valideren. Uiteindelijk, het team ontdekte dat het intense regenboogkleurenspel voortkwam uit gespecialiseerde buikschubben op de spinnen. Deze schalen combineren een aërodynamische microscopische 3D-contour met diffractieroosterstructuren op nanoschaal op het oppervlak. Het is de interactie tussen het nano-diffractierooster aan het oppervlak en de microscopische kromming van de schalen die scheiding en isolatie van licht in zijn samenstellende golflengten mogelijk maakt onder fijnere hoeken en kleinere afstanden dan mogelijk is met de huidige technische technologieën.

"Wie wist dat zo'n klein beestje zo'n intens kleurenspel zou creëren met behulp van uiterst geavanceerde mechanismen die optische ingenieurs zullen inspireren, " zei Dr. Dimitri Deheyn opgewonden tijdens een interview. Deheyn is de postdoc-mentor voor Hsiung bij Scripps Oceanography en co-auteur van dit onderzoek.

voor Hsiung, de bevinding was niet zo onverwacht. "Een van de belangrijkste vragen die ik wilde beantwoorden in mijn proefschrift was 'hoe moduleert de natuur irisatie?' Vanuit een biomimicry perspectief, om een ​​vraag volledig te begrijpen en te beantwoorden, men moet van beide kanten uitersten in overweging nemen. Vandaar, Ik heb er bewust voor gekozen om deze kleine spinnen met intense kleurenspel te bestuderen nadat ik de niet-iriserende blauwe vogelspinnen had onderzocht, ' zei Hsiung.

Het mechanisme achter deze kleine regenbogen kan inspireren tot nieuwe kleurtechnologie, maar zou niet zijn ontdekt zonder onderzoek dat elementaire natuurlijke historie combineert met natuurkunde en techniek.

"Het samenbrengen van zo'n uiteenlopende onderzoeksexpertise om de ongelooflijke diversiteit van de natuur te begrijpen en die kennis vervolgens toe te passen op menselijke technologie is precies waar het bij UA's Biomimicry Research and Innovation Center om draait, ' zei Blackled.

"We vergeten soms dat wiskundige optische modellen, terwijl cruciale instrumenten, zijn hypothesen die moeten worden getest, " antwoordde Shawkey, op de vraag hoe dit onderzoek de manier kan veranderen waarop onderzoekers in de toekomst biologische fotonische structuren onderzoeken. "Met 3D-printen op nanoschaal konden we onze modellen experimenteel valideren, wat erg spannend was. We hopen dat deze technieken in de toekomst gemeengoed zullen worden."

"Als ingenieur wat ik fascinerend vond aan deze structurele kleuren van spinnen, is hoe deze lang geëvolueerde complexe structuren nog steeds beter kunnen presteren dan menselijke engineering, " voegde Dr. Radwanul Hasan Siddique toe, een postdoctoraal onderzoeker bij Caltech en co-auteur van dit onderzoek. "Zelfs met hoogwaardige fabricagetechnieken, we konden de exacte structuren niet repliceren. Ik vraag me af hoe de spinnen deze mooie structurele patronen in de eerste plaats samenstellen!"

Inspiratie van deze super iriserende spinschalen kan worden gebruikt om de huidige beperkingen in spectrale manipulatie te overwinnen, en om de grootte van optische spectrometers te verkleinen voor toepassingen waar spectrale resolutie op fijne schaal vereist is in een zeer klein pakket, met name instrumenten voor ruimtemissies, of draagbare chemische detectiesystemen.

Uiteindelijk, pauwspinnen produceren niet alleen de kleinste regenbogen van de natuur, ze kunnen ook gevolgen hebben voor een breed scala aan gebieden, variërend van biowetenschappen en biotechnologie tot materiaalwetenschappen en engineering.