Крылья, поглощающие свет: секрет сверхчерных бабочек
«Белые берега и за ними далекие зеленые холмы под восходящим солнцем» — одно из самых известных описаний «продолжения пути», высказанное Гендальфом в фильме «Властелин колец». Если отбросить философский подтекст, кому-то эта картина покажется банальной, а кому-то — невероятно красивой. Тут, как говорится, каждому свое, ибо красота в глазах смотрящего. На чтобы ни любил любоваться человек, будь то закат или морская гладь, непреложным остается физика этих объектов эстетического удовольствия. Разные материалы взаимодействуют со светом по-разному, что и порождает столь широкую вариативность цветового спектра. Но есть материалы, которые практически не отражают свет, поглощая большую его часть. Из синтетических материалов стоит выделить Vantablack, поглощающий до 99.965% излучения. И вот ученые из университета Дьюка выяснили, что крылья у некоторых видов бабочек обладают вполне соизмеримыми характеристиками, при этом будучи в разы тоньше любого из созданных человеком веществ. Насколько черные крылья у бабочек, почему они поглощают излучение, и как эти открытия применить на практике? Об этом нам расскажет доклад ученых. Поехали.
Основа исследования
Когда речь идет про создание «сверхчерного» материала, поглощающего практически все излучение, основной акцент идет не на химические вещества, а скорее на их внутреннюю архитектуру. Так, к примеру, Vantablack изготавливается из вертикально выровненных углеродных нанотрубок. Однако такой материал крайне хрупкий, что сильно ограничивает спектр его применения.
Небольшой ролик о Vantablack.
В противовес синтетическим материалам, обладающим высоким коэффициентом поглощения и, соответственно, низким коэффициентом отражения, есть природные (уголь, сажа, платиновая чернь и т.д.).
Если же говорить про живых существ, а не про разные минералы, то тут природа также не пасет задних. У некоторых видов пауков-скакунов, птиц и бабочек окрас сравним по свойствам с Vantablack.
Так отражательная способность крыльев бабочек из семейства Papilionidae равна 0.2%, что обусловлено их полидисперсной сотовой структурой. И тут возникает вопрос — все ли виды из семейства Papilionidae обладают одинаковой структурой крыла?
Pachliopta kotzebuea — вид бабочек из семейства Papilionidae.
Крылья бабочек, несмотря на свою хрупкость, достаточно сложны в своей структуре, и это тенденция, присущая всем видам из всех семейств. Суть в том, что эта структура может отличаться и обеспечивать реализацию разных физических процессов.
Детальное рассмотрения крыла бабочки Papilionidae позволяет увидеть, что поглощение излучения обусловлено двумя слоями микроскопических чешуек, размер которых порой не превышает 2.5 мкм. На верхней части чешуек расположена пластина с узором в виде квази-сотовой структуры, состоящей из поперечных ребер, соединяющих края.
Чешуйки крыла бабочки на примере вида Gonepteryx cleopatra (лимонница клеопатра).
Столь оживленный интерес именно к бабочкам в аспекте изучения сверхчерных материалов обусловлен, по словам ученых, рядом причин: у бабочек имеется несколько разных по специализации типов чешуек, включая многослойные отражатели и тонкие пленки; чешуйки в разы тоньше других сверхчерных природных материалов и синтетических аналогов; чешуйки достаточно легкие и прочные, что обеспечивает возможность полета.
Предыдущие исследования показали, что наноразмерные (240 нм) отверстия в верхней пластинке чешуек позволяют свету проникать внутрь чешуек, где он поглощается меланином, который связывается с хитином в кутикуле. Также было установлено, что такие пластины поглощают больше света, чем пластины без отверстий. А вот точно определить назначение структурных ребер, ограничивающих эти отверстия, пока не удалось. Некоторые ученые считают, что подобная структура обеспечивает увеличение поглощения света за счет направления света в отверстие.
В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые решили подробнее рассмотреть эти загадочные чешуйки, чтобы более точно описать как их структуру, так и их светопоглощающие свойства. Для этого была использована спектрофотометрия, растровая электронная микроскопия (РЭМ) и моделирование методом конечных разностей во временной области.
Предварительные выводы заключаются в том, что несмотря на значительные различия в размере и форме наноотверстий, все сверхчерные чешуйки имеют крутые края и трабекулы, которые значительно глубже и шире, чем у обычных черных или коричневых чешуек. Оптическое моделирование подтвердило, что эти структурные особенности являются ключевыми в столь низком коэффициенте отражения, и что удаление любого из них резко увеличивает коэффициент отражения более чем на порядок. Также очевидно, что такая структура чешуйки увеличивает площадь для поглощения света. В попытках объяснить практическое применение сверхчерных крыльев ученые выдвинули теорию: поскольку у всех бабочек сверхчерные участки крыла всегда граничат с участками другого цвета (белые, красные и т.д.), возможно это необходимо для увеличения воспринимаемой яркости и насыщенности цветов, что применяется в межвидовой и внутривидовой коммуникации.
Результаты исследования
Чтобы исследовать потенциальное разнообразие наноструктур, лежащих в основе сверхчерного цвета у бабочек, ученые отобрали 10 видов бабочек из четырех подсемейств: Papilioninae, Biblidinae, Danainae и Heliconinae. Также были подобраны бабочки коричневого и обычного черного цветов в качестве контрольной группы.
Изображение №1: отражательная способность разных групп бабочек в зависимости от длины волны излучения.
У всех бабочек из сверхчерной группы отражательная способность составляла от 0,06% до 0,4% при перпендикулярно падающем освещении (500 нм). У бабочек из контрольной группы этот параметр варьировался в диапазоне от 1 до 3%.
Изображение №2: морфологическое разнообразие структуры чешуек крыла бабочек из сверхчерной группы.
Сверхчерные материалы в конечном итоге зависят от поглощающего пигмента, встроенного в сложную структуру. Сначала была проведена оценка структуры 11 бабочек (7 сверхчерных, 4 контрольных) с помощью РЭМ. У всех бабочек чешуйки имели верхний слой, перфорированный квазипериодическими отверстиями. Существовали значительные различия в форме и размерах отверстий: в форме шеврона у Eunica chlorocroa; прямоугольные отверстия (500×330 нм) у Catonephele antinoe, Catonephele numilia и Heliconius doris; прямоугольные отверстия (750×500 нм) у Euploea Dufresne и Euploea Klugi.
Примечательно, что ни одна из нимфалидных бабочек (подсемейства Biblidinae, Danainae и Heliconinae) не имела сотовой структуры, аналогичной той, которая была обнаружена у папилионидов (семейство Papilionidae).
Отсутствие сотовой структуры в сочетании с разнообразием размера и формы отверстий позволяют предположить, что светопоглощающая способность у бабочек не зависит от конкретной формы или размера отверстия. Тем не менее некоторые из индивидуальных изменений формы отверстия, вероятно, помогают увеличить поглощение при ненормальных углах падения света.
Разнообразие форм и размеров наноотверстий по видам среди сверхчерных бабочек: А — Catonephele antinoe; B — Catonephele numilia (самка); C — Catonephele numilia (самец); D — Eunica chlorocroa; E — Euploea dufresne; F — Euploea midamus; G — Euploea klugi; H — Heliconius doris; I — Heliconius ismenius; J — Napeocles jucunda; K — Trogonoptera brookiana (самец); L — Trogonoptera brookiana (самка).
Во всех образцах сверхчерных бабочек были обнаружены две общие структурные особенности: крутые края и прочные трабекулы, соединяющие верхнюю и нижнюю пластинки. В образцах из контрольной группы отверстия были значительно больше, а трабекулы были либо значительно мельче, либо отсутствовали вовсе.
Трабекулы (выделены красным) у самцов из сверхчерных видов бабочек больше, чем у самок из контрольной группы: A — Trogonoptera brookiana (самка); B — Trogonoptera brookiana (самец); C — Catonephele numilia (самка); D — Catonephele numilia (самец).
Данные отличия прямо говорят о важности выявленных структурных особенностей для получения низкой отражательной способности крыльев.
Любопытно, что крылья сверхчерных бабочек, где были обнаружены наноотверстия и большие трабекулы, даже после покрытия их золотом (для проведения РЭМ исследования) все равно сохраняли свой черный цвет (фото выше).
Проведенные наблюдения позволили получить ценные данные, которые были применены в моделировании: была проведена оценка вклада выявленных геометрических особенностей крыла бабочек в формирование отражательной способности.
Поскольку чешуйка крыла может иметь низкую отражательную способность и даже быть прозрачной (как у мотыльков), расчет отражательной способности проводился на двух перекрывающихся чешуйках, лежащих на 100% белой поверхности.
С помощью метода конечных разностей во временной области было произведено моделирование отражательной способности структуры с прямоугольными отверстиями 500×330 нм бабочки вида C. antinoe (самой черной среди всех исследуемых видов).
Далее была проведена аналогичная симуляция, но с удаленными ребрами, трабекулами или базальными пластинами. В результате была получена модель чешуйки крыла бабочки с отражательной способностью в диапазоне от 0.4 до 1.0% по всей видимой части спектра.
Изображение №3: результаты моделирования. Обозначения цветов: синий — модель полноценной чешуйки; красный — чешуйка с удаленными трабекулами; желтый — чешуйка с удаленными ребрами; фиолетовый — с удаленными базальными пластинами; коричневый — с удаленными трабекулами и ребрами; зеленый — прямоугольный блок из того же объема поглощающего материала, что и в обычной чешуйке.
Этот показатель был в 14–40 раз ниже, чем в случае моделирования с использованием двух плоских перекрывающихся пластин из того же поглощающего материала, что и у чешуек.
То есть удаление ребер или всей внутренней структуры чешуйки привело к увеличению отражательной способности в 3–16 раз. Если же удалить сопоставимый объем отражательного материала, не трогая саму геометрию чешуйки, то отражательная способность увеличивается лишь в два раза. Что касается удаления базальных пластин, то изменения этого показателя были крайне незначительны.
Далее было решено рассмотреть вклад геометрии в формирование отражательной способности уже без участия поглощающего материала. Для этого были смоделированы чешуйки с прозрачными ребрами и трабекулами.
Данный тест показал, что одни только ребра структуры чешуйки снижают отражательную способность на 14–58% по сравнению с чешуйками, в которых вообще нет ребер. Трабекулы же снижают отражательную способность на 5–70%, по сравнению с чешуйками, где их вовсе нет.
Изображение №4: сравнение отражательной способности чешуек без трабекул и с прозрачными трабекулами (слева); сравнение отражательной способности чешуек без ребер и с прозрачными ребрами (справа).
Проанализировав геометрию, ученые приступили к анализу пигмента меланина, дабы выяснить важность его оптических свойств в формировании общего показателя отражательной способности крыла бабочки. Меланин имеет необычно высокий реальный (n) и мнимый (k) показатель преломления как для биологического материала.
Используя морфологические особенности структуры чешуек, было смоделировано отражательную способность при 550 нм, используя 99 уникальных комбинаций реальной и мнимой частей показателя преломления. Измеренная реальная часть показателя преломления была от n = 1.33 (вода) до n = 1.8 (меланин), а мнимая от k = 0.0 (без поглощения) до k = 0.20.
Изображение №5: отражательная способность в основном определяется мнимой частью показателя преломления.
Без поглощения отражательная способность двух чешуек, расположенных на белом фоне приближается к 100%, но при k = 0.06 начинает снижаться на 1%. Эффект реального показателя преломления доминирует над действием мнимого до k > 0.06. Для чешуйки с высокой мнимой частью (k > 0.10) ситуация меняется и реальная часть показателя преломления становится ответственной за увеличение отражательной способности. Например, когда k = 0.15, отражательная способность при n = 1.33 на 88% ниже, чем при n = 1.8. Когда 0.06 < k < 0.10, отражательная способность зависит от обоих компонентов показателя преломления.
Это говорит о том, что для достижения наблюдаемой у сверхчерных бабочек отражательной способности не нужен меланин, необходим лишь поглощающий материал (в идеале материал с реальной частью показателя преломления ниже, чем у меланина).
Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Данное исследование показало, что бабочки некоторых видов обладают уникальными наноразмерными структурами в своих крыльях, которые обеспечивают отражательную способность не более 0.06% излучения при угле в 90°.
Было установлено, что между чешуйками, покрывающими крылья бабочек, имеются трабекулы, которые увеличивают площадь поверхности для поглощения излучения кутикулярным меланином.
Таким образом данная сверхчерная структура сравнима с синтетическими, за исключением того, что она составляет всего лишь 1/5 их толщины. Следовательно, если взять за основу крылья бабочек, можно попытаться воссоздать некий синтетический аналог, который будет иметь сходную отражательную способность и быть таким же тонким, но прочным.
По словам самих исследователей, их труд имеет большой интерес не только для инженеров и нанотехологов, но и для зоологов (в частности для лепидоптерологов, изучающих бабочек), так как пока остается неясно, для чего бабочкам столь сложная система. Возможно такой необычный окрас необходим для привлечения внимания партнера либо для отпугивания хищников, точного ответа пока нет. Также ученые намерены продолжить свое исследование, сконцентрировав свое внимание на эволюционной составляющей. Они хотят выяснить, сколько сверхчерный цвет в крыльях бабочек проявлялся на протяжении их эволюционного пути. Таким образом они смогут понять, почему именно наблюдаемая сейчас структура чешуек стала доминирующей, а также что повлияла на ее формирование.
Что бы ни выяснили ученые в будущем, данный их труд стал еще одним подтверждением того, что природе еще есть чем нас удивить.
Мир насекомых порой напоминает смесь «Игры престолов» и «Чужого».
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)
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 Equinix 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?
