De kleine haartjes van zilvermieren uit de Sahara hebben cruciale adaptieve eigenschappen die de mieren in staat stellen hun lichaamstemperatuur te reguleren en de verzengende hete omstandigheden van hun woestijnhabitat te overleven. Volgens een nieuw onderzoeksartikel gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , de unieke driehoekige vorm en interne structuur van de haren spelen een sleutelrol bij het handhaven van de gemiddelde interne temperatuur van de mier onder het kritische thermische maximum van 53,6 graden Celsius (128,48 graden Fahrenheit), ondanks de Sahara-temperaturen in de middag die tot 70° kunnen oplopen C (158°F).

De krant, gepubliceerd door Columbia Engineering-onderzoekers en medewerkers - waaronder onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) - beschrijft hoe de structuur op nanoschaal van de haren helpt de reflectiviteit van het lichaam van de mier te vergroten in zowel zichtbare als nabij-infrarode golflengten, waardoor de insecten zonnestraling kunnen afbuigen die hun lichaam anders zou absorberen. De haren verbeteren ook de emissiviteit in het midden-infraroodspectrum, waardoor warmte efficiënt kan worden afgevoerd van het hete lichaam van de mieren naar het koele, heldere lucht. Columbia Engineering heeft meer over de bevindingen van de onderzoekers.

Om te bestuderen hoe de haren de wezens toestaan ​​om op deze manier elektromagnetische golven te beheersen, het onderzoeksteam van Columbia Engineering onder leiding van Nanfang Yu moest in deze structuren op nanoschaal kijken en hun functies begrijpen. Ze wendden zich tot de middelen en expertise die beschikbaar zijn bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), een DOE Office of Science User Facility op het nabijgelegen Long Island.

Werken met en training krijgen van Fernando Camino van de CFN, een co-auteur van het artikel in Science, en Matthew Sfeir, Yu's groep voerde beeldvormende onderzoeken uit met behulp van het Dual Scanning Electron Microscope (SEM)/Focused Ion Beam (FIB)-systeem van de CFN en de Fourier Transform Spectrometer/Microscope. Voor het dual beam systeem, Camino werkte rechtstreeks samen met de hoofdauteur van het artikel, Norman Nan Shi.

"Mijn bijdrage was om Shi te trainen om deze tool te gebruiken en hem de mogelijkheid te geven om met de parameters te spelen totdat we erin konden slagen de structuur van dit haar te karakteriseren, ' zei Camino.

In een typisch experiment met biologisch materiaal zoals haren op nanoschaal, het zou meestal voldoende zijn om een ​​elektronenmicroscoop te gebruiken om een ​​afbeelding van het oppervlak van het monster te maken. Dit onderzoek, echter, vereiste dat de groep van Yu in de mierenharen keek en een dwarsdoorsnede van het interieur van de structuur maakte. De relatief zwakke elektronenbundel van een standaard elektronenmicroscoop zou het oppervlak van het monster niet kunnen doordringen.

Het dubbele bundelsysteem van de CFN lost het probleem op door de beeldvorming van een elektronenmicroscoop te combineren met een veel krachtigere bundel galliumionen. Met 31 protonen en 38 neutronen, elk galliumion is ongeveer 125, 000 keer massiever dan een elektron, en massief genoeg om deuken in de structuur op nanoschaal te creëren - alsof je een steen tegen een muur gooit. De onderzoekers gebruikten deze krachtige stralen om precieze sneden in de haren te boren, het onthullen van de cruciale informatie die verborgen is onder de oppervlakte. Inderdaad, deze specifieke toepassing, waarin het systeem werd gebruikt om een ​​biologisch probleem te onderzoeken, was nieuw voor het team van CFN.

"Conventioneel, deze tool wordt gebruikt om dwarsdoorsneden van micro-elektronische circuits te maken, "zei Camino. "De gefocusseerde ionenstraal is als een etsgereedschap. Je kunt het zien als een frees in een machinewerkplaats, maar op nanoschaal. Het kan materiaal op specifieke plekken verwijderen omdat je deze locaties kunt zien met de SEM. Dus plaatselijk haal je materiaal weg en kijk je naar de onderlagen, omdat de sneden je toegang geven tot de dwarsdoorsnede van alles waar je naar wilt kijken."

Het onderzoek naar mierenhaar daagde het CFN-team uit om met nieuwe oplossingen te komen om de interne structuren te onderzoeken zonder de meer delicate biologische monsters te beschadigen.

"Deze haren zijn erg zacht in vergelijking met, zeggen, halfgeleiders of kristallijne materialen. En er is veel lokale hitte die biologische monsters kan beschadigen. Dus de parameters moeten zorgvuldig worden afgesteld om er niet veel schade aan te doen, " zei hij. "We moesten onze techniek aanpassen om de juiste omstandigheden te vinden."

Een andere uitdaging lag in het omgaan met het zogenaamde oplaadeffect. Wanneer het dual beam-systeem wordt getraind op een niet-geleidend materiaal, elektronen kunnen zich ophopen op het punt waar de bundels het preparaat raken, het resulterende beeld vervormen. Het team van CFN was in staat om dit probleem op te lossen door dunne laagjes goud over het biologische materiaal te plaatsen, het monster net geleidend genoeg maken om het oplaadeffect te voorkomen.

Reflectie onthullen

Terwijl het team van Camino zich concentreerde op het helpen van Yu's groep bij het onderzoeken van de structuur van de mierenharen, Het werk van Matthew Sfeir met optische Fourier-transformatiespectroscopie met hoge helderheid hielp te onthullen hoe de reflectie van de haren Sahara-zilvermieren hielpen bij het reguleren van de temperatuur. Sfeir's spectrometer onthulde precies hoeveel die biologische structuren licht reflecteren over meerdere golflengten, inclusief zowel zichtbaar als nabij-infrarood licht.

"Het is een gemultiplexte meting, "Sfeir zei, uitleg over de spectrometer van zijn team. "In plaats van af te stemmen op deze golflengte en deze golflengte, die golflengte, je doet ze allemaal in één keer om alle spectrale informatie in één keer te krijgen. Het geeft u zeer snelle metingen en een zeer goede spectraalresolutie. Vervolgens optimaliseren we het voor zeer kleine steekproeven. Het is een vrij unieke mogelijkheid van CFN."

Sfeir's spectroscopiewerk is gebaseerd op kennis die hij heeft opgedaan tijdens zijn werk bij een andere belangrijke Brookhaven-faciliteit:de originele National Synchrotron Light Source, waar hij veel van zijn postdoc-werk deed. Zijn ervaring was vooral nuttig bij het analyseren van de reflectiviteit van de biologische structuren over veel verschillende golflengten van het elektromagnetische spectrum.

"Deze techniek is ontwikkeld vanuit mijn ervaring met het werken met de infrarood synchrotron-bundellijnen, "Zei Sfeir. "Synchrotron-bundellijnen zijn geoptimaliseerd voor precies dit soort dingen. Ik dacht, 'Hallo, zou het niet geweldig zijn als we een vergelijkbare meting zouden kunnen ontwikkelen voor het type zonne-energie dat we bij CFN maken?' Dus hebben we een bench-top versie gebouwd om hier te gebruiken."

Het is dat vermogen om kennis uit het ene domein te halen en het elders toe te passen - vaak op onverwachte manieren - waardoor externe gebruikers naar Brookhaven kunnen komen met nieuwe onderzoeksvragen, samenwerken met de experts van het CFN om erachter te komen hoe deze vragen kunnen worden aangepakt, en vertrek met de veelgevraagde antwoorden.

"Bij CFN, ons doel is om gebruikers zover te krijgen dat ze hun eigen onderzoek kunnen doen, onafhankelijk worden, " zei Camino. "Dat is onze filosofie:we brengen de tools en de kennis die de gebruikers nodig hebben, zodat ze zelfstandig kunnen blijven werken."