Láthatatlanná tévő bevonat: gyógyszereknél és titkosításhoz is bevethető
A kutatók figyelmét felkeltette egy aprócska állat, amely mikroszkopikus, különleges geometriájú szemcsékből álló bevonata segíti a rejtőzködést, és vízhatlanságot nyújt az élőlénynek.
Egy gyakori háztáji levéltetű rovarfajta szervezete apró, titokzatos részecskéket választ ki, és köppenyként vonja be magát az anyaggal - a jelenség megihlette a Penn State kutatóit, akik tanulmánya szerint ezek a részecskék jelentős előrelépést jelenthet egy következő generációs technológia számára.
Különleges geometria
Első körben a csapat pontosan megismerte ezeknek a részecskéknek a bonyolult geometriáját. A különös alakzatokat brochoszómának hívják, több évtizede ismert a létezésük, és számos hasznos tulajdonságuk egyike, hogy vízhatlanná, tisztává teszik a rovart, illetve védelmet nyújt számára egyes kórokozók ellen. Az új modellezés és számítások azt mutatták, hogy mindez csak amolyan másodlagos feladat, a fő funkciója pedig vélhetően nem más, mint az állat álcázása, „láthatatlanná” tétel.
Ha tudnák, hogy teszi ezt, az lehetővé tenné bioinspirált optikai anyagok kifejlesztését, amelyek lehetséges alkalmazási területei a láthatatlanná tévő álcázó eszközöktől a bevonatokig a napenergia hatékonyabb begyűjtéséig terjednek, mondta Tak-Sing Wong gépészmérnök, az orvosbiológiai mérnök professzora, aki azt a tanulmányt vezette, amelyet március 18-án tettek közzé a Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) folyóiratban.
Az egyedi, apró részecskék szokatlan, futballlabda-szerű geometriájú üregei, és azok pontos funkciója az 1950-es évek óta rejtély a tudósok számára. 2017-ben Wong vezette a Penn State azon kutatócsoportját, amely elsőként hozta létre a brochoszómák alapvető, szintetikus változatát. A cél az volt, hogy a "modell" alapján jobban megértsék annak funkcióját.
"Ez a felfedezés nagyon hasznos lehet a technológiai innovációk szempontjából" - mondta Lin Wang, a gépészmérnöki posztdoktori tudós és a tanulmány vezető szerzője. „A felületeken a fényvisszaverődés szabályozására irányuló új stratégiával talán elrejthetjük az emberek vagy a gépek hőjeleit. Talán egy nap az emberek kifejleszthetnek egy termikus láthatatlanná tévő köpenyt a levéltetűk által használt trükkök alapján. Munkánk megmutatja, hogy a természet megértése hogyan segíthet a modern technológiák fejlesztésében.”
Miért termel ilyen anyagot egy rovar?
Wang kifejtette, hogy bár a tudósok háromnegyed évszázada ismerik ezeket a brochoszóma részecskéket, azok laboratóriumi előállítása komoly kihívást jelent a részecskék geometriájának összetettsége miatt.
„Nem világos, hogy a levéltetűk miért termelnek ilyen összetett szerkezetű részecskéket” – mondta Wang. „Sikerült elkészítenünk ezeket a brochoszómákat csúcstechnológiás 3D-nyomtatási módszerrel a laboratóriumban, és bebizonyosodott, hogy ezek az üreges részecskék akár 94%-kal is csökkenthetik a fényvisszaverődést. Ez egy óriási felfedezés. Ez az első olyan természetben talált felfedezés, amely ilyen specifikus módon szabályozza a fényt.”
A ragadozók (pl. madarak, hüllők) kiválóan látnak ultraibolya tartományban, és a levéltetűket borító brochoszómák pont az ultraibolya elnyelésében a legjobbak, köszönhető a lyukacskák méretének, amelyek a látható fényt is szórják.
Az elméletek arról, hogy ez a rovarfaj miért vonja be magát ebben a különleges brochosoma páncélba, egészen a szennyeződésektől való védelemtől kezdve a vízhatlanságon át a szuperhősszerű láthatatlanná tevő köpenyig terjedtek. A brochosoma geometriájának új megértése azonban felveti annak a lehetőségét, hogy e különleges köpeny fő célja a ragadozók elkerülése - véleményezte Tak-Sing Wong gépészmérnök, az orvosbiológiai mérnök professzora, a tanulmány szerzője.
„Ebben a tanulmányban csak egy rovarfajra összpontosítottunk, de még sok csodálatos rovar lehet, amelyek anyagkutatókra várnak, hogy a tanulmányozásuk után segíthessenek különféle mérnöki problémák megoldásában. Ha úgy tetszik, ezek nem is bogarak; inspirátorok” - mondta el Lin Wang , a gépészmérnök posztdoktori oktatója.
A kutatók szerint rendkívül fontos a brochoszómában lévő lyukak mérete, amelyek üreges, futball-labdaszerű megjelenést kölcsönöznek neki. A méret a levéltetűk esetében egységes, a rovar testének méretétől független. A brochoszómák körülbelül 600 nanométer átmérőjűek – körülbelül feleakkorák, mint egyetlen baktérium –, a brochoszóma pórusai pedig körülbelül 200 nanométeresek.
„Ez arra késztet bennünket, hogy feltegyünk egy kérdést” – mondta Wong. „Miért ez a következetesség? Mi a titka annak, hogy körülbelül 600 nanométeres brochoszómák alakultak ki a rovaroknál körülbelül 200 nanométeres pórusokkal? Mi célt szolgál ez a mérnöki pontosság?”
A kutatók megállapították, hogy a brochoszómák egyedi kialakítása kettős célt szolgál:
- elnyeli az ultraibolya (UV) fényt, ami csökkenti az UV-látó ragadozók, például a madarak és a hüllők láthatóságát,
- és szétszórja a látható fényt, így tükröződésmentes pajzsot hoz létre a potenciális fenyegetésekkel szemben. A lyukak mérete tökéletes az ultraibolya frekvenciájú fény elnyelésére.
Ez potenciálisan sokrétű alkalmazáshoz vezethet a szintetikus brochoszómákat használó emberek számára, olyan technológiai célok eléréséhez jelent támpontot, mint a
- hatékonyabb napenergia-begyűjtő rendszerek,
- bevonatok, amelyek megvédik a gyógyszereket a fény által okozott károsodásoktól,
- fejlett fényvédők a bőr napsérülései elleni jobb védelme érdekében,
- vagy akár álcázó eszközök.
Mindezek teszteléséhez a csapatnak először szintetikus brochoszómákat kellett készítenie, ami önmagában is komoly kihívás
A 2017-es tanulmányukban a kutatók szintetikus anyagok felhasználásával utánozták a brochoszómák egyes jellemzőit, különösen az üregeket, és azok eloszlását. Ez lehetővé tette számukra, hogy megértsék az optikai tulajdonságokat. Azonban csak olyan verziót tudtak készíteni, ami brochoszómáknak tűnt - nem pedig olyat, ami a pontos másolata volt.
"Ez az első alkalom, hogy meg tudjuk alkotni a természetes brochoszóma pontos geometriáját" - mondta Wong, kifejtve, hogy a kutatóknak fejlett 3D-nyomtatási technológia segítségével sikerült méretezett szintetikus másolatokat készíteni a brochoszóma struktúrákról.
Kinyomtattak egy felnagyított változatot, amely 20 000 nanométer méretű volt, vagyis nagyjából az emberi hajszál átmérőjének egyötöde. A kutatók pontosan megismételték a pórusok alakját és morfológiáját, valamint a pórusok számát és elhelyezkedését 3D-s nyomtatással, hogy még mindig kicsi, ám az optikai jellemzéshez már elég nagy műbrochoszómákat állítsanak elő.
Micro-Fourier transzformációs infravörös (FTIR) spektrométert használtak annak vizsgálatára, hogy megvizsgálják, a brochoszómák hogyan lépnek kölcsönhatásba a különböző hullámhosszú infravörös fénnyel, segítve a kutatókat annak megértésében, hogy a struktúrák hogyan manipulálják a fényt.
"Ez az első alkalom, hogy meg tudjuk alkotni a természetes brochoszóma pontos geometriáját." - mondta Tak-Sing Wong , a gépészmérnök és az orvosbiológiai mérnök professzora.
A természet jó tanítója volt a tudósoknak az új anyagfejlesztésekben
A következőkben a kutatók a szintetikus brochoszóma-gyártás fejlesztését tervezik, hogy lehetővé tegyék a természetes brochoszómák kellő méretezésű termelését. A szintetikus brochoszómák további alkalmazási lehetőségeit is megvizsgálják, például az információ titkosítását, ahol brochoszóma-szerű struktúrákat lehetne használni egy olyan titkosítási rendszer részeként, ahol az adatok csak bizonyos fényhullámhosszokon láthatók.
Wang megjegyezte, hogy brochosom munkájuk a biomimetikai kutatási megközelítés értékét demonstrálja, ahol a tudósok a természetben keresnek inspirációt.
A Penn State-ből származó Wong és Wang mellett a tanulmány további kutatói közé tartozik Sheng Shen, a gépészmérnök professzora és Zhuo Li, a gépészmérnöki doktorandusz, a Carnegie Mellon Egyetemről. Wang és Li egyformán hozzájárultak ehhez a munkához, amelyre a kutatók ideiglenes amerikai szabadalmat nyújtottak be. A kutatást a Tengerészeti Kutatási Hivatal támogatta.
A hangunk alapján diagnosztizálható akár a rák is?
