Una araña pavo real en miniatura con iridiscencia de arcoíris. a) Un macho adulto Maratus robinsoni. b) A M. robinsoni descansando sobre una uña humana:la araña mide sólo ~? 2.5? mm de tamaño. El abdomen iridiscente de la araña está indicado por la flecha negra. c) Una vista ampliada (barra de escala:200 μm) del mismo abdomen de araña como se muestra en el cuadrado punteado de a, pero con un ángulo de visión diferente. Tenga en cuenta que los colores de los parches iridiscentes casi cambian a sus colores complementarios entre las dos vistas diferentes, de azul a rojo (flechas rojas), y de violeta a verde amarillento (flechas azules). Crédito:Dr. Jürgen C. Otto, coautor
Arañas pavo real australianas de colores brillantes ( Maratus spp. ) cautivan incluso a los espectadores más aracnofóbicos con sus extravagantes exhibiciones de cortejo con diversas e intrincadas coloraciones corporales, patrones, y movimientos, todos empaquetados en cuerpos en miniatura que miden menos de 5 mm de tamaño para muchas especies. Sin embargo, estas pantallas no solo son bonitas a la vista, también inspiran nuevas formas para que los humanos produzcan color en la tecnología.
Una especie de araña pavo real:la araña pavo real arcoíris ( Maratus robinsoni ) - es particularmente impresionante, porque muestra una intensa señal iridiscente de arco iris en las exhibiciones de cortejo de los machos a las hembras. Este es el primer caso conocido en la naturaleza de los machos que utilizan todo un arco iris de colores para atraer a las hembras a aparearse. Pero, ¿cómo hacen los machos sus arcoíris?
Averiguar la respuesta fue inherentemente interdisciplinario, por lo que el Dr. Bor-Kai Hsiung, ahora becario postdoctoral en el Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego, reunió un equipo que incluía biólogos, físicos e ingenieros mientras era un Ph.D. estudiante del doctorado en biociencias integradas de la Universidad de Akron (UA). programa bajo la tutoría del Dr. Todd Blackledge y el Dr. Matthew Shawkey (ahora en la Universidad de Gante), y con el apoyo del Centro de Investigación e Innovación en Biomimetismo de la UA. El equipo incluyó a investigadores de los Estados Unidos - UA, Instituto Scripps de Oceanografía, Instituto de Tecnología de California (Caltech), y Universidad de Nebraska-Lincoln (UNL) - Bélgica (Universidad de Gent), Holanda (Universidad de Groningen), y Australia para descubrir cómo las arañas arcoíris pavo real producen esta señal iridiscente única.
El equipo investigó las estructuras fotónicas de la araña utilizando técnicas que incluían microscopía óptica y electrónica, imagen hiperespectral, dispersometría de imágenes y modelado óptico para generar hipótesis sobre cómo la escala de la araña genera arcoíris tan intensos. Luego, el equipo utilizó la impresión nano 3D de vanguardia para fabricar diferentes prototipos para probar y validar sus hipótesis. En el final, El equipo descubrió que la intensa iridiscencia del arco iris surgía de escamas abdominales especializadas en las arañas. Estas escalas combinan un contorno 3D microscópico similar a una superficie aerodinámica con estructuras de rejilla de difracción a nanoescala en la superficie. Es la interacción entre la red de nano-difracción de superficie y la curvatura microscópica de las escalas lo que permite la separación y el aislamiento de la luz en las longitudes de onda que la componen en ángulos más finos y distancias más pequeñas de lo que son posibles con las tecnologías de ingeniería actuales.
Micrografía de luz con patrón de arco iris M. robinsoni escamas. Cuadrado central negro:4? ×? 4? Μm2 Crédito:Dr. Bor-Kai Hsiung, coautor
"¿Quién diría que una criatura tan pequeña crearía una iridiscencia tan intensa utilizando mecanismos extremadamente sofisticados que inspirarán a los ingenieros ópticos?" ", dijo el Dr. Dimitri Deheyn con entusiasmo durante una entrevista. Deheyn es el mentor postdoctoral de Hsiung en Scripps Oceanography y coautor de esta investigación.
Para Hsiung, el hallazgo no fue tan inesperado. "Una de las principales preguntas que quería abordar en mi tesis doctoral era '¿cómo modula la naturaleza la iridiscencia?' Desde una perspectiva de biomimetismo, para comprender y abordar completamente una pregunta, hay que tener en cuenta los extremos de ambos extremos. Por eso, Elegí a propósito estudiar estas pequeñas arañas con intensa iridiscencia después de haber investigado las tarántulas azules no iridiscentes, "dijo Hsiung.
El mecanismo detrás de estos diminutos arcoíris puede inspirar nueva tecnología de color, pero no se habría descubierto sin una investigación que combina la historia natural básica con la física y la ingeniería.
"Reunir una experiencia de investigación tan diversa para comprender la increíble diversidad de la naturaleza y luego aplicar ese conocimiento a la tecnología humana es exactamente de lo que se trata el Centro de Investigación e Innovación Biomimética de la UA, "dijo Blackledge.
Una vista ampliada del abdomen de la araña pavo real Maratus robinsoni . Crédito:Dr. Jürgen Otto, coautor
"A veces olvidamos que los modelos ópticos matemáticos, mientras que herramientas críticas, son hipótesis que deben probarse, "respondió Shawkey, cuando se le preguntó sobre cómo esta investigación podría cambiar la forma en que los investigadores investigan las estructuras fotónicas biológicas en el futuro. "La impresión 3D a nanoescala nos permitió validar experimentalmente nuestros modelos, lo cual fue realmente emocionante. Esperamos que estas técnicas se vuelvan comunes en el futuro ".
"Como ingeniero, Lo que encontré fascinante acerca de estos colores estructurales de araña es cómo estas estructuras complejas evolucionadas durante mucho tiempo aún pueden superar a la ingeniería humana, "añadió el Dr. Radwanul Hasan Siddique, becaria postdoctoral en Caltech y coautora de esta investigación. "Incluso con técnicas de fabricación de alta gama, no pudimos replicar las estructuras exactas. ¡Me pregunto cómo las arañas ensamblan estos elegantes patrones estructurales en primer lugar! "
La inspiración de estas escamas de araña superiridiscentes se puede utilizar para superar las limitaciones actuales en la manipulación espectral, y para reducir el tamaño de los espectrómetros ópticos para aplicaciones donde se requiere una resolución espectral de escala fina en un paquete muy pequeño, en particular, instrumentos en misiones espaciales, o sistemas portátiles de detección de sustancias químicas.
En el final, Las arañas pavo real no solo producen los arcoíris más pequeños de la naturaleza, también podrían tener implicaciones para una amplia gama de campos que van desde las ciencias de la vida y las biotecnologías hasta las ciencias de los materiales y la ingeniería.
