Los diminutos pelos de las hormigas plateadas del Sahara poseen características de adaptación cruciales que permiten que las hormigas regulen la temperatura de su cuerpo y sobrevivan a las abrasadoras condiciones de su hábitat desértico. Según un nuevo artículo de investigación publicado en la revista Ciencias , la forma triangular única y la estructura interna de los pelos juegan un papel clave en el mantenimiento de la temperatura interna promedio de la hormiga por debajo del máximo térmico crítico de 53.6 grados Celsius (128.48 grados Fahrenheit) la mayor parte del tiempo a pesar de las temperaturas del mediodía en el Sahara que pueden alcanzar hasta 70 ° C (158 ° F).

El papel, publicado por investigadores y colaboradores de Columbia Engineering, incluidos investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), describe cómo la estructura a nanoescala de los pelos ayuda a aumentar la reflectividad del cuerpo de la hormiga en longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas, permitiendo que los insectos desvíen la radiación solar que absorberían sus cuerpos. Los pelos también mejoran la emisividad en el espectro del infrarrojo medio, permitiendo que el calor se disipe eficientemente del cuerpo caliente de las hormigas al frío, cielo limpio. Columbia Engineering tiene más información sobre los hallazgos de los investigadores.

Para estudiar cómo los pelos permiten que las criaturas controlen las ondas electromagnéticas de esta manera, El equipo de investigación de Columbia Engineering, dirigido por Nanfang Yu, necesitaba ver el interior de estas estructuras a nanoescala y comprender sus funciones. Recurrieron a los recursos y la experiencia disponibles en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en las cercanías de Long Island.

Trabajando y recibiendo capacitación de Fernando Camino de CFN, coautor del artículo en Science, y Matthew Sfeir, El grupo de Yu realizó estudios de imágenes utilizando el microscopio electrónico de barrido dual (SEM) / sistema de haz de iones enfocados (FIB) de CFN y el espectrómetro / microscopio de transformada de Fourier. Para el sistema de doble haz, Camino trabajó directamente con el autor principal del artículo, Norman Nan Shi.

"Mi contribución fue entrenar a Shi para usar esta herramienta y darle la habilidad de jugar con los parámetros hasta que pudiéramos lograr caracterizar la estructura de este cabello, "Dijo Camino.

En un experimento típico que involucra material biológico como pelos a nanoescala, normalmente sería suficiente utilizar un microscopio electrónico para crear una imagen de la superficie de la muestra. Esta investigación, sin embargo, requirió que el grupo de Yu mirara dentro de los pelos de hormiga y produjera una sección transversal del interior de la estructura. El haz de electrones relativamente débil de un microscopio electrónico estándar no podría penetrar la superficie de la muestra.

El sistema de doble haz del CFN resuelve el problema combinando la formación de imágenes de un microscopio electrónico con un haz mucho más potente de iones de galio. Con 31 protones y 38 neutrones, cada ion de galio es de aproximadamente 125, 000 veces más masivo que un electrón, y lo suficientemente masivo como para crear abolladuras en la estructura a nanoescala, como arrojar una piedra contra una pared. Los investigadores utilizaron estas poderosas vigas para realizar cortes precisos en los pelos, revelando la información crucial escondida debajo de la superficie. En efecto, esta aplicación en particular, en el que el sistema se utilizó para investigar un problema biológico, era nuevo para el equipo de CFN.

"Convencionalmente, esta herramienta se utiliza para producir secciones transversales de circuitos microelectrónicos, "dijo Camino." El haz de iones enfocado es como una herramienta de grabado. Puede pensar en ello como una herramienta de fresado en un taller mecánico, pero a nanoescala. Puede eliminar material en lugares específicos porque puede ver estas ubicaciones con el SEM. Entonces, localmente, quita material y mira las capas inferiores, porque los cortes te dan acceso a la sección transversal de lo que quieras mirar ".

La investigación del pelo de hormiga desafió al equipo de CFN a encontrar soluciones novedosas para investigar las estructuras internas sin dañar las muestras biológicas más delicadas.

"Estos pelos son muy suaves en comparación con, decir, semiconductores o materiales cristalinos. Y hay mucho calor local que puede dañar las muestras biológicas. Por lo tanto, los parámetros deben ajustarse cuidadosamente para no dañarlos, ", dijo." Tuvimos que adaptar nuestra técnica para encontrar las condiciones adecuadas ".

Otro desafío consistió en lidiar con el llamado efecto de carga. Cuando el sistema de haz doble se entrena sobre un material no conductor, Los electrones pueden acumularse en el punto donde los rayos golpean la muestra, distorsionando la imagen resultante. El equipo de CFN pudo resolver este problema colocando finas capas de oro sobre el material biológico, haciendo que la muestra sea lo suficientemente conductora para evitar el efecto de carga.

Reflectante reveladora

Mientras que el equipo de Camino se centró en ayudar al grupo de Yu a investigar la estructura de los pelos de las hormigas, El trabajo de Matthew Sfeir con espectroscopía óptica de transformada de Fourier de alto brillo ayudó a revelar cómo la reflectividad de los pelos ayudó a las hormigas plateadas del Sahara a regular la temperatura. El espectrómetro de Sfeir reveló con precisión cuánto reflejan la luz esas estructuras biológicas en múltiples longitudes de onda, incluyendo luz visible e infrarroja cercana.

"Es una medida multiplexada, "Sfeir dijo, explicando el espectrómetro de su equipo. "En lugar de sintonizar esta longitud de onda y esta longitud de onda, esa longitud de onda, los hace todos de una sola vez para obtener toda la información espectral de una sola vez. Le proporciona mediciones muy rápidas y muy buena resolución espectral. Luego lo optimizamos para muestras muy pequeñas. Es una capacidad bastante única de CFN ".

El trabajo de espectroscopía de Sfeir se basa en el conocimiento obtenido de su trabajo en otra instalación clave de Brookhaven:la fuente de luz del sincrotrón nacional original, donde realizó gran parte de su trabajo postdoctoral. Su experiencia fue particularmente útil para analizar la reflectividad de las estructuras biológicas en muchas longitudes de onda diferentes del espectro electromagnético.

"Esta técnica se desarrolló a partir de mi experiencia trabajando con las líneas de luz del sincrotrón infrarrojo, ", dijo Sfeir." Las líneas de luz del sincrotrón están optimizadas para exactamente este tipo de cosas. Pensé, 'Oye, ¿No sería fantástico si pudiéramos desarrollar una medida similar para el tipo de dispositivos solares que fabricamos en CFN? Así que creamos una versión de sobremesa para usar aquí ".

Es esa capacidad de tomar el conocimiento de un dominio y aplicarlo en otro lugar, a menudo de formas inesperadas, lo que permite a los usuarios externos acudir a Brookhaven con preguntas de investigación novedosas. trabajar con los expertos de la CFN para descubrir cómo abordar esas preguntas, y salir con las respuestas buscadas.

"En CFN, nuestro propósito es llevar a los usuarios al punto en el que puedan hacer su propia investigación, independizarse, Camino dijo. Esa es nuestra filosofía:traemos las herramientas y el conocimiento que los usuarios necesitan, para que puedan seguir trabajando de forma independiente ".