Theorieën over waarom sprinkhanen zichzelf bedekken met een brochosompantser variëren van het vrijhouden van verontreinigingen en water tot een superheldachtige onzichtbaarheidsmantel. Een nieuw begrip van hun geometrie brengt echter een sterke mogelijkheid met zich mee dat het hoofddoel ervan de mantel zou kunnen zijn om roofdieren te vermijden, aldus Tak-Sing Wong, hoogleraar werktuigbouwkunde en biomedische technologie en corresponderend auteur van de studie.

De onderzoekers hebben ontdekt dat de grootte van de gaten in het brochosoom, die het een hol, voetbalachtig uiterlijk geven, uiterst belangrijk is. De grootte is consistent bij alle soorten sprinkhanen, ongeacht de grootte van het lichaam van het insect. De brochosomen hebben een diameter van grofweg 600 nanometer (ongeveer de helft van de grootte van een enkele bacterie) en de brochosomporiën zijn ongeveer 200 nanometer.

'Dat doet ons een vraag stellen', zei Wong. "Waarom deze consistentie? Wat is het geheim van brochosomen van ongeveer 600 nanometer met poriën van ongeveer 200 nanometer? Heeft dat een bepaald doel?"

De onderzoekers ontdekten dat het unieke ontwerp van brochosomen een tweeledig doel dient:het absorberen van ultraviolet (UV) licht, waardoor de zichtbaarheid voor roofdieren met UV-zicht, zoals vogels en reptielen, wordt verminderd, en het verstrooien van zichtbaar licht, waardoor een antireflecterend schild ontstaat tegen potentiële bedreigingen. De grootte van de gaten is perfect voor het absorberen van licht op de ultraviolette frequentie.

Dit zou potentieel kunnen leiden tot een verscheidenheid aan toepassingen voor mensen die synthetische brochosomen gebruiken, zoals efficiëntere systemen voor het oogsten van zonne-energie, coatings die farmaceutische producten beschermen tegen door licht veroorzaakte schade, geavanceerde zonnebrandmiddelen voor een betere huidbescherming tegen schade door de zon en zelfs verhulapparaten, aldus onderzoekers. . Om dit te testen moest het team eerst synthetische brochosomen maken, een grote uitdaging op zich.

In hun onderzoek uit 2017 bootsten de onderzoekers enkele kenmerken van brochosomen na, met name de kuiltjes en hun verspreiding, met behulp van synthetische materialen. Hierdoor konden ze de optische eigenschappen gaan begrijpen. Ze konden echter alleen iets maken dat op brochosomen leek, en niet op een exacte replica.

"Dit is de eerste keer dat we de exacte geometrie van het natuurlijke brochosoom kunnen bepalen," zei Wong, en legde uit dat de onderzoekers in staat waren om geschaalde synthetische replica's van de brochosoomstructuren te maken door gebruik te maken van geavanceerde 3D-printtechnologie.

Ze drukten een opgeschaalde versie af die 20.000 nanometer groot was, of ongeveer een vijfde van de diameter van een mensenhaar. De onderzoekers hebben de vorm en morfologie, evenals het aantal en de plaatsing van de poriën nauwkeurig gerepliceerd met behulp van 3D-printen, om nog steeds kleine namaakbrochosomen te produceren die groot genoeg waren om optisch te karakteriseren.

Ze gebruikten een Micro-Fourier-transformatie-infraroodspectrometer (FTIR) om te onderzoeken hoe de brochosomen interageerden met infraroodlicht van verschillende golflengten, waardoor de onderzoekers konden begrijpen hoe de structuren het licht manipuleren.

Vervolgens zeiden de onderzoekers dat ze van plan zijn de fabricage van synthetische brochosomen te verbeteren om productie mogelijk te maken op een schaal die dichter bij de grootte van natuurlijke brochosomen ligt. Ze zullen ook aanvullende toepassingen voor synthetische brochosomen onderzoeken, zoals informatie-encryptie, waarbij brochosoomachtige structuren kunnen worden gebruikt als onderdeel van een encryptiesysteem waarbij gegevens alleen zichtbaar zijn onder bepaalde lichtgolflengten.

Wang merkte op dat hun brochosomwerk de waarde aantoont van een biomimetische onderzoeksaanpak, waarbij wetenschappers naar de natuur kijken voor inspiratie.

"De natuur is een goede leermeester geweest voor wetenschappers om nieuwe geavanceerde materialen te ontwikkelen," zei Wang. "In deze studie hebben we ons slechts op één insectensoort geconcentreerd, maar er zijn nog veel meer verbazingwekkende insecten die wachten op onderzoek door materiaalwetenschappers, en ze kunnen ons mogelijk helpen bij het oplossen van verschillende technische problemen. Het zijn niet alleen maar insecten; het zijn inspiratiebronnen."

Samen met Wong en Wang van Penn State omvatten andere onderzoekers aan het onderzoek Sheng Shen, hoogleraar werktuigbouwkunde, en Zhuo Li, promovendus in werktuigbouwkunde, beide aan de Carnegie Mellon University, die hebben bijgedragen aan de simulaties in dit onderzoek. Wang en Li hebben in gelijke mate bijgedragen aan dit werk, waarvoor de onderzoekers een Amerikaans voorlopig patent hebben aangevraagd.

Meer informatie: Wong, Tak-Sing, Geometrisch ontwerp van antireflecterende brochosomen van sprinkhanen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2312700121. doi.org/10.1073/pnas.2312700121

Aangeboden door Pennsylvania State University