Цикадка-невидимка: оптические свойства брохосом
Мир дикой природы часто становится источником вдохновения для ученых и инженеров как в наши дни, так и сотни лет тому назад. Попытки реплицировать то, на что у эволюции ушли тысячи лет, сопряжены с множеством сложностей, но это не убавляет энтузиазма ученых. Одним из основных источников природного вдохновения являются насекомые, что не удивительно, учитывая многочисленность данного класса животных, насчитывающего порядка миллиона видов. Ученые из университета штата Пенсильвания (США) уделили особое внимание цикадкам. Эти весьма распространенные насекомые хоть и кажутся весьма простыми на вид, но обладают удивительной особенностью — они выделяют и покрывают свое тело крошечными частицами (брохосомами), форма которых напоминает фуллерен. Что делает эти частицы уникальными, зачем они нужны цикадкам, и как они могут быть использованы человеком? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Изображение №1
В природе различные животные и растения используют сложные иерархические микро- и наноматериалы для манипулирования светом и взаимодействия с ним, что приводит к разнообразным оптическим эффектам. Эти эффекты варьируются от структурной окраски до антиотражения и выполняют важные функции в передаче сигналов, распознавании, коммуникации и маскировке. Все эти природные оптические материалы полностью интегрированы в биологические поверхности тела. Напротив, в биологическом мире развертываемые оптические материалы редки. Брохосомы, однако, активно секретируются и распределяются цикадками по поверхности их тела посредством смазывания и ухода после линьки, образуя плотный и равномерный слой (1A-1E).
Брохосомы являются одними из самых сложных трехмерных наноструктур, наблюдаемых в природе. Они представляют собой сфероиды в форме бакибола (фуллерена), состоящие из шестиугольных и пятиугольных сквозных отверстий, соединенных между собой центральной полостью. В свое время было предложено несколько потенциальных функций брохосом, включая предотвращение микробов, устойчивость к высыханию, перенос феромонов, отталкивание жидкостей и антиотражение. Однако взаимосвязь формы и функции этих сложных иерархических материалов остается неизученной. В частности, физические механизмы, лежащие в основе естественной геометрии брохосом и их оптической функции, еще предстоит полностью понять. Основное препятствие связано со сложной геометрией брохосом. Воспроизведение их точных структур — особенно конструкции полого бакибола с взаимосвязанными сквозными отверстиями (1E) — с использованием синтетических материалов является крайне сложной задачей. Как отмечают ученые, на сегодняшний день ни одна опубликованная работа не воссоздала полные геометрические особенности природных брохосом.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые использовали технику двухфотонной полимеризации 3D-печати для изготовления синтетических брохосом, которые точно имитируют геометрию своих природных аналогов. Затем ученые исследовали их просветляющие («анти-отражающие») свойства.
Результаты исследования
В природе размеры брохосом и соответствующих им сквозных отверстий удивительно одинаковы у разных видов цикадок, несмотря на разную длину тела (от 3 до 9 мм). В частности, большинство природных брохосом имеют диаметр примерно от 300 до 700 нм, а размер сквозных отверстий составляет от 100 до 280 нм (1F). Кроме того, анализ показал, что соотношение между размером сквозного отверстия и диаметром брохосомы постоянно приближается к 0.28 ± 0.04. Это соотношение близко соответствует теоретическому значению 0.29 для модели бакибола или модели усеченного икосаэдра. Это наблюдение указывает на удивительную точность и последовательность формирования природных брохосом. Однако связь между их геометрическими характеристиками и просветляющей функцией остается открытым вопросом.
Изображение №2
Чтобы исследовать геометрическое влияние брохосом на их просветляющие характеристики, ученые использовали метод 3D-печати двухфотонной полимеризации, чтобы точно воспроизвести их геометрию. Хотя современные 3D-принтеры, такие как Nanoscribe Photonic Professional, могут создавать объекты с разрешением от 200 до 500 нм, разрешение печати не позволяет воспроизводить наноразмерную геометрию природных брохосом (т.е. от ~300 до 600 нм). Чтобы преодолеть это ограничение, ученые применили метод масштабной модели, который ранее использовался при исследовании просветляющих свойств наноструктурированных микрорельефных поверхностей с использованием более длинных электромагнитных волн. Следовательно, ученые изготовили микроскопические синтетические брохосомы в качестве модельной системы и исследовали их оптические характеристики в ближнем инфракрасном (ближнем ИК) и среднем инфракрасном (среднем ИК) диапазонах. Были созданы синтетические брохосомы диаметром около 20 мкм и диаметром сквозных отверстий около 5 мкм.
Синтетические брохосомы, напечатанные на 3D-принтере, состоят из 12 пятиугольных и 20 шестиугольных сквозных отверстий, соединенных между собой полым ядром, имитируя точную геометрию природных брохосом (2B-2D). Как показано на 2A, изготовленный образец состоит из массива 20 на 20 синтетических брохосом в гексагональной плотноупакованной (HCP от hexagonal close-packed) решетке, в результате чего плотность упаковки частиц составляет примерно 91%. Такое расположение имитирует плотность упаковки природных брохосом, наблюдаемую на крыльях цикадок (1C-1E). Массив брохосом занимает площадь примерно 400 на 350 мкм. Толщина оболочки и толщина стенки сквозного отверстия синтетических брохосом составляют примерно 7% и 20% от общего диаметра (D) соответственно, что близко имитирует характеристики натуральных брохосом. В качестве контрольного образца был изготовлен другой тип синтетических брохосом с теми же топографическими особенностями, что и их природный аналог, но без сквозных структур (2E-2G).
Изображение №3
Используя микромасштабные синтетические брохосомы в качестве модельной системы, ученые провели измерения зеркального отражения в диапазоне длин волн от ближнего ИК до среднего ИК (т.е. 2.5 мкм < < 10 мкм и 10 мкм < < 24 мкм) с использованием инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье (FTIR от Fourier transform infrared).
Чтобы гарантировать, что материалы синтетических брохосом не способствуют поглощению инфракрасного излучения, ученые покрыли их слоем никеля толщиной 100 нм, который является металлом с высокой отражающей способностью для инфракрасного света (3B).
Экспериментальные измерения показали, что синтетические брохосомы со сквозными отверстиями могут эффективно снижать зеркальное отражение в диапазоне длин волн от 2.5 до 24 мкм примерно до 94% (графики выше). В частности, наблюдались два различных режима просветления, анализируя спектры отражения синтетических брохосом со сквозными отверстиями и без них.
В первом режиме, когда длина волны света сравнима с диаметром синтетических брохосом D (т.е. ~0.5 ≤ λ/D ≤ ~1), но больше, чем диаметры сквозных отверстий (d), возникает широкополосный просветляющий эффект. В этом режиме как синтетические брохосомы со сквозными отверстиями, так и без них демонстрируют снижение отражения примерно на 80% по сравнению с отражающей плоской поверхностью никеля (3B).
Во втором режиме, когда длина волны света меньше или сравнима с диаметром сквозного отверстия (т.е. λ/d < ~1.4), наблюдалось дополнительное снижение отражения примерно до 53% на синтетических брохосомах со сквозными отверстиями по сравнению с брохосомами без отверстий (3E).
Явление широкополосного просветления в первом режиме можно объяснить рассеянием Ми. В частности, теория Ми указывает, что широкополосное рассеяние света доминирует, когда размер частиц сравним с длиной волны света (3A). Уравнение Ми показывает, что эффективность рассеяния света сферической частицей можно рассчитать на основе следующего выражения:
где коэффициенты рассеяния an и bn определяются функциями Бесселя и Неймана. В частности, уравнение выше предсказывает, что эффективность рассеяния максимальна, когда соотношение между длиной волны света и диаметром частиц λ/D составляет от 0.1 до 3. Ученые уточняют, что приведенное выше аналитическое соотношение разработано на основе модели сферических частиц. Для частиц более сложной геометрии, таких как брохосомы, необходимо численное моделирование, чтобы понять поведение их светорассеяния, особенно когда во взаимодействиях легких частиц участвуют несколько частиц на твердой подложке.
Чтобы проверить процесс рассеяния света на матрицах брохосом, ученые сначала провели оптическое моделирование с использованием метода конечной разности во временной области (FDTD от finite-difference time-domain) и получили серию видео моделирования с временным разрешением (видео №1). Результаты моделирования показали, что интенсивность и картина рассеяния света на массивах синтетических брохосом как со сквозными отверстиями, так и без них практически идентичны друг другу в безразмерном диапазоне длин волн ~0.5 < λ/D < ~1.2 (3C, видео №1). Для полноты понимания ученые также выполнили моделирование FDTD, чтобы проиллюстрировать рассеяние Ми на одной брохосоме, как со сквозными отверстиями, так и без них (видео №4).
Свет эффективно рассеивается как на одиночной частице брохосомы, так и на массивах брохосом, когда длина волны света сравнима с размером частиц брохосомы (~0.5 ≤ λ/D ≤ ~1.2). Эти результаты моделирования согласуются с уравнения выше, демонстрируя эффективное рассеяние света на брохосомах в форме бакибола в этом диапазоне. Кроме того, было установлено, что падающий свет не взаимодействует со вторичными сквозными отверстиями в этом диапазоне длин волн. Это наблюдение подчеркивает важность согласования диаметров брохосом с длиной волны света для облегчения эффекта рассеяния Ми.
Дополнительное уменьшение оптического отражения на брохосомах со сквозными отверстиями можно объяснить эффектом поглощения полости, обеспечиваемым сквозными отверстиями, когда длина волны света меньше или сравнима с диаметрами сквозных отверстий (т.е. λ/d < ~ 1.4) (3D). Ученые провели теоретический анализ и обнаружили, что эти сквозные отверстия могут служить коротковолновыми фильтрами нижних частот для дальнейшего уменьшения отражения света. В частности, если рассматривать свет, взаимодействующий с брохосомой, его можно аппроксимировать как свет, проходящий через плоскость со сквозными отверстиями. Согласно классической теории оптики, свет не может пройти через отверстие, характерный размер которого меньше длины волны света. В 1940-х годах Бете вывел упрощенное выражение для светопропускания идеального отверстия бесконечно малой толщины:
где d — диаметр сквозного отверстия, а λ — длина волны света. Из уравнения выше видно, что светопропускание сквозного отверстия быстро уменьшается по мере того, как d становится меньше λ. Было показано, что светопропускание сквозного отверстия может быть дополнительно ослаблено при увеличении его толщины. Недавние исследования, основанные на уравнениях Максвелла, показали, что когда толщина сквозного отверстия (h) эквивалентна радиусу сквозного отверстия (т. е. h = 0.5d), критическая граничная длина волны λc, выше которой коэффициент пропускания свет экспоненциально затухает, следует соотношению:
Данное уравнение показывает, что когда длина волны света превышает диаметр сквозного отверстия более чем в 1.5 раза, большая часть света не может быть полностью передана. Используя данное уравнение, ученые предполагают, что критическая длина волны будет примерно в 1.5 раза больше диаметра сквозного отверстия брохосом (т. е. λc/d ≈ 1.5), поскольку было обнаружено, что толщина оболочки большинства природных брохосом сравнима со средним радиусом их сквозных отверстий.
Экспериментальные измерения показали заметное снижение отражения на синтетических брохосомах со сквозными отверстиями по сравнению с брохосомами без сквозных отверстий, когда длина волны падающего света короче критической длины волны λc (3E). Чтобы проиллюстрировать геометрическую связь между уменьшенным отражением и сквозными отверстиями, ученые построили график измеренных спектров отражения в зависимости от безразмерной длины волны λ/d. Как показано на 3E, измеренный коэффициент отражения на брохосомах со сквозными отверстиями находится в диапазоне примерно от 5 до 18% в безразмерном диапазоне длин волн примерно от 0.5 до 1.4 (что соответствует λ = от ~ 2.5 мкм до ~ 7.2 мкм). Напротив, измеренный коэффициент отражения брохосом без сквозных отверстий выше и варьируется от 10 до 22% в том же диапазоне. В частности, в безразмерном диапазоне длин волн примерно от 0.5 до 1.0, где длина волны падающего света меньше диаметра сквозного отверстия d (т. е. λ/d < 1), отражение от брохосом со сквозными отверстиями еще сильнее снижается до 53% по сравнению с вариантами без сквозных отверстий (3F). Примечательно, что измеренная критическая длина волны примерно в 1.4 раза превышает диаметр сквозного отверстия (т. е. λc/d ∼ 1.4), что хорошо согласуется с теоретическим значением в 1.5. Эти измерения показали, что сквозные отверстия играют важную роль в уменьшении отражения света от брохосом.
Для дальнейшего определения поведения оптического поглощения внутри структур со сквозными отверстиями ученые провели оптическое моделирование с использованием метода FDTD как на отдельных частицах брохосом, так и на массивах брохосом, чтобы изучить процесс взаимодействия света и брохосомы в коротковолновом диапазоне (3G).
На 3G показаны профили электрического поля, полученные из видео смоделированных взаимодействия света и брохосомы (видео №2 и видео №3).
Было установлено, что когда длина волны падающего света короче критической длины волны (т. е. λ < λc), свет может проникать в брохосомы, проходя через сквозные отверстия, и резонировать внутри полостей, прежде чем поглощаться брохосомами и рассеиваться (сверху на 3G). Этот резонансный эффект удлиняет время взаимодействия между брохосомами и светом, что приводит к усилению поглощения света ниже критической длины волны λ < λc. И наоборот, когда длина волны падающего света длиннее критической длины волны (т. Е. λ < λc), свет не может пройти через сквозные отверстия, и поведение отражения на брохосомах становится аналогичным независимо от наличия сквозных отверстий (3H).
В дополнение к моделированию с временным разрешением ученые также провели моделирование для анализа спектров полного и зеркального отражения массивов брохосом, как со сквозными отверстиями, так и без них, в диапазоне длин волн от 2.5 мкм до 10 мкм. Этот диапазон соответствует тому же безразмерному диапазону длин волн от 0.5 до 2.0, который использовался в экспериментах. Смоделированные спектры дополнительно подтвердили ранее сформулированные выводы: когда λ/d меньше примерно 1.4, отражение от брохосом со сквозными отверстиями еще больше снижается по сравнению с брохосомами без сквозных отверстий. Этот результат моделирования полностью согласуется с результатами экспериментов и теоретическими расчетами.
Чтобы дополнительно продемонстрировать, что снижение отражательной способности происходит из-за усиленного поглощения света за счет эффекта сквозных отверстий, ученые смоделировали поперечное сечение поглощения брохосом со сквозными отверстиями и без них на уровне одной частицы. В частности, сечение поглощения характеризует способность исследуемой частицы поглощать свет при условии освещенности падающего света. Если присутствует эффект сквозного отверстия, то ожидается заметное поглощение света отдельной брохосомой ниже определенного порога длины волны. Моделирование показало, что брохосома со сквозными отверстиями демонстрирует большее сечение поглощения, чем брохосома без сквозных отверстий, когда λ/d меньше или сравнимо с 1.5.
В совокупности результаты экспериментов и моделирования показали, что зеркальным антиотражающим свойствам брохосом способствуют два фактора:
- рассеяние Ми, возникающее в результате совпадения масштаба длины между диаметром брохосом и длиной волны падающего света;
- эффект поглощение сквозных отверстий, возникающий, когда длина волны падающего света меньше или сравнима с диаметром сквозных отверстий.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые внимательно изучили цикадок, а точнее брохосомы, которые они выделяют и покрывают ими свое тело. Эти микроскопические частицы обладают удивительной формой, напоминающей фуллерен. Они были открыты еще в 50-ых годах, но детальное исследование их свойств произошло только сейчас.
Авторам исследования удалось создать искусственные брохосомы в лабораторных условиях. Детальный анализ их характеристик показал, что они способны уменьшать светоотражение на 94%. Моделирование, эксперименты и расчеты показали, что размер сквозных отверстий, придающих брохосомам их полый вид, чрезвычайно важен. Самое удивительно то, что размеры частиц (600 нм) и отверстий (200 нм) идентичен у разных видов цикадок.
Рукотворная копия брохосом была намного больше (порядка 20000 нанометров), что позволило ученым проанализировать оптические свойства частиц такой формы. Исследователи обнаружили, что уникальная конструкция брохосом обладает двумя функциями: поглощение ультрафиолетового света, что снижает видимость цикадки для хищников с ультрафиолетовым зрением (птицы, рептилии и т.д.), а также рассеивание видимого света, создавая антибликовый щит от потенциальных угроз. Размер отверстий идеально подходит для поглощения света ультрафиолетовой частоты.
Такие свойства могут оказаться невероятно полезными для множества отраслей: солнечная энергетика (поверхности, поглощающие свет с большей эффективностью), фармацевтика (покрытия для препаратов, защищающие от повреждений), солнцезащитные кремы и даже маскировочные устройства. Хоть работа над совершенствованием синтетических брохосом продолжается, ученые уверены, что их творение обладает очень высоким потенциалом. Данное исследование также демонстрирует, что природа остается одним из самых важных и обильных источников вдохновения для исследований из самых разных направлений науки.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
