Los saltamontes, un insecto común en los patios traseros, secretan y se recubren con pequeñas partículas misteriosas que podrían proporcionar tanto la inspiración como las instrucciones para la tecnología de próxima generación, según un nuevo estudio dirigido por investigadores de Penn State.
Por primera vez, el equipo replicó con precisión la compleja geometría de estas partículas, llamadas brochosomas, y logró comprender mejor cómo absorben la luz visible y ultravioleta.
Esto podría permitir el desarrollo de materiales ópticos bioinspirados con posibles aplicaciones que van desde dispositivos de camuflaje invisibles hasta recubrimientos para recolectar energía solar de manera más eficiente, dijo Tak-Sing Wong, profesor de ingeniería mecánica e ingeniería biomédica. Wong dirigió el estudio, que se publicó en las Proceedings of the National Academy of Sciences. .
Estas partículas diminutas y únicas tienen una geometría inusual parecida a una pelota de fútbol con cavidades, y su propósito exacto para los insectos ha sido un misterio para los científicos desde la década de 1950. En 2017, Wong dirigió el equipo de investigación de Penn State que fue el primero en crear una versión sintética básica de brochosomas en un esfuerzo por comprender mejor su función.
"Este descubrimiento podría ser muy útil para la innovación tecnológica", afirmó Lin Wang, investigador postdoctoral en ingeniería mecánica y autor principal del estudio. "Con una nueva estrategia para regular el reflejo de la luz en una superficie, podríamos ocultar las firmas térmicas de humanos o máquinas. Quizás algún día la gente pueda desarrollar una capa de invisibilidad térmica basada en los trucos utilizados por los saltahojas. Nuestro trabajo muestra cómo comprender la naturaleza puede ayudarnos a desarrollar tecnologías modernas."
Wang continuó explicando que, aunque los científicos conocen las partículas de brocosoma desde hace tres cuartos de siglo, fabricarlas en un laboratorio ha sido un desafío debido a la complejidad de la geometría de la partícula.
"No está claro por qué los saltamontes producen partículas con estructuras tan complejas", dijo Wang. "Logramos hacer estos brochosomas utilizando un método de impresión 3D de alta tecnología en el laboratorio. Descubrimos que estas partículas fabricadas en el laboratorio pueden reducir la luz". reflexión de hasta un 94%. Este es un gran descubrimiento porque es la primera vez que vemos a la naturaleza hacer algo como esto, donde controla la luz de una manera tan específica usando partículas huecas."
Las teorías sobre por qué los saltamontes se recubren con una armadura de brocosomas van desde mantenerlos libres de contaminantes y agua hasta una capa de invisibilidad similar a la de un superhéroe. Sin embargo, una nueva comprensión de su geometría plantea una gran posibilidad de que su propósito principal sea la capa para evitar a los depredadores, según Tak-Sing Wong, profesor de ingeniería mecánica e ingeniería biomédica y autor correspondiente del estudio.
Los investigadores han descubierto que el tamaño de los agujeros en el brochosoma que le dan una apariencia hueca, parecida a una pelota de fútbol, es extremadamente importante. El tamaño es consistente en todas las especies de saltahojas, sin importar el tamaño del cuerpo del insecto. Los brocosomas tienen aproximadamente 600 nanómetros de diámetro (aproximadamente la mitad del tamaño de una sola bacteria) y los poros de los brocosomas miden alrededor de 200 nanómetros.
"Eso nos hace hacernos una pregunta", dijo Wong. "¿Por qué esta consistencia? ¿Cuál es el secreto de tener brochosomas de unos 600 nanómetros con poros de unos 200 nanómetros? ¿Sirve eso para algún propósito?"
Los investigadores descubrieron que el diseño único de los brocosomas tiene un doble propósito:absorber la luz ultravioleta (UV), lo que reduce la visibilidad para los depredadores con visión ultravioleta, como aves y reptiles, y dispersar la luz visible, creando un escudo antirreflectante contra amenazas potenciales. El tamaño de los agujeros es perfecto para absorber la luz en la frecuencia ultravioleta.
Potencialmente, esto podría conducir a una variedad de aplicaciones para humanos que usan brocosomas sintéticos, como sistemas más eficientes de recolección de energía solar, recubrimientos que protegen a los productos farmacéuticos del daño inducido por la luz, protectores solares avanzados para una mejor protección de la piel contra el daño solar e incluso dispositivos de camuflaje, dijeron los investigadores. . Para probar esto, el equipo primero tuvo que crear brocosomas sintéticos, un gran desafío en sí mismo.
En su estudio de 2017, los investigadores imitaron algunas características de los brochosomas, en particular los hoyuelos y su distribución, utilizando materiales sintéticos. Esto les permitió comenzar a comprender las propiedades ópticas. Sin embargo, sólo pudieron hacer algo que parecía brocosomas, no una réplica exacta.
"Esta es la primera vez que podemos crear la geometría exacta del brochosoma natural", dijo Wong, explicando que los investigadores pudieron crear réplicas sintéticas a escala de las estructuras del brochosoma mediante el uso de tecnología avanzada de impresión 3D.
Imprimieron una versión ampliada de 20.000 nanómetros de tamaño, o aproximadamente una quinta parte del diámetro de un cabello humano. Los investigadores replicaron con precisión la forma y la morfología, así como el número y la ubicación de los poros mediante impresión 3D, para producir brocosomas falsos aún pequeños que eran lo suficientemente grandes como para caracterizarlos ópticamente.
Utilizaron un espectrómetro de infrarrojos por transformada Micro-Fourier (FTIR) para examinar cómo interactuaban los brochosomas con luz infrarroja de diferentes longitudes de onda, lo que ayudó a los investigadores a comprender cómo las estructuras manipulan la luz.
A continuación, los investigadores dijeron que planean mejorar la fabricación de brocosomas sintéticos para permitir la producción a una escala más cercana al tamaño de los brocosomas naturales. También explorarán aplicaciones adicionales para los brocosomas sintéticos, como el cifrado de información, donde se podrían utilizar estructuras similares a los brocosomas como parte de un sistema de cifrado en el que los datos sólo son visibles bajo ciertas longitudes de onda de luz.
Wang señaló que su trabajo con brocosomas demuestra el valor de un enfoque de investigación biomimética, en el que los científicos buscan inspiración en la naturaleza.
"La naturaleza ha sido una buena maestra para que los científicos desarrollen nuevos materiales avanzados", afirmó Wang. "En este estudio, sólo nos hemos centrado en una especie de insecto, pero hay muchos más insectos sorprendentes que están esperando que los científicos de materiales los estudien, y pueden ayudarnos a resolver varios problemas de ingeniería. No son sólo insectos.; son inspiraciones."
Junto con Wong y Wang de Penn State, otros investigadores del estudio incluyen a Sheng Shen, profesor de ingeniería mecánica, y Zhuo Li, candidato a doctorado en ingeniería mecánica, ambos de la Universidad Carnegie Mellon, quienes contribuyeron a las simulaciones de este estudio. Wang y Li contribuyeron igualmente a este trabajo, para el cual los investigadores presentaron una patente provisional en Estados Unidos.
Más información: Wong, Tak-Sing, Diseño geométrico de brochosomas de saltahojas antirreflectantes, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2312700121. doi.org/10.1073/pnas.2312700121
Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania
