19:19 2024-03-18
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Insecta din curte inspiră dispozitive de invizibilitate, tehnologie de nouă generație
_ Insecta din curte inspiră invizibilitate dispozitive, tehnologie de nouă generație
Leafhoppers, o insectă obișnuită din curte, se secretă și se îmbracă cu particule minuscule misterioase care ar putea oferi atât inspirația, cât și instrucțiunile pentru tehnologia de generație următoare, potrivit unui nou studiu condus de Penn Cercetători de stat.
Într-o premieră, echipa a replicat cu precizie geometria complexă a acestor particule, numite brohozomi, și a elucidat o mai bună înțelegere a modului în care acestea absorb atât lumina vizibilă, cât și cea ultravioletă.
Acest lucru ar putea permite dezvoltarea materialelor optice bioinspirate cu posibile aplicații, de la dispozitive invizibile de acoperire până la acoperiri pentru a recolta mai eficient energia solară, a spus Tak-Sing Wong, profesor de inginerie mecanică și inginerie biomedicală. Wong a condus studiul, care a fost publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences.
Particulele unice, mici, au o geometrie neobișnuită, asemănătoare mingii de fotbal, cu cavități, iar scopul lor exact pentru insecte a fost ceva un mister pentru oamenii de știință încă din anii 1950. În 2017, Wong a condus echipa de cercetare Penn State care a fost prima care a creat o versiune de bază, sintetică, a brohozomilor, în efortul de a înțelege mai bine funcția acestora.
„Această descoperire ar putea fi foarte utilă pentru inovația tehnologică, „, a spus Lin Wang, cercetător postdoctoral în inginerie mecanică și autorul principal al studiului. „Cu o nouă strategie de reglare a reflexiei luminii pe o suprafață, s-ar putea să putem ascunde semnăturile termice ale oamenilor sau ale mașinilor. Poate că într-o zi oamenii ar putea dezvolta o mantie de invizibilitate termică bazată pe trucurile folosite de saltele de frunze. Lucrările noastre arată cum înțelegem natura. ne poate ajuta să dezvoltăm tehnologii moderne.”
Wang a continuat explicând că, deși oamenii de știință știu despre particulele de brohozomi de trei sferturi de secol, realizarea lor într-un laborator a fost o provocare din cauza complexității. a geometriei particulei.
„Nu a fost clar de ce salcatele produc particule cu structuri atât de complexe”, a spus Wang, „Am reușit să facem acești brohozomi folosind o metodă de imprimare 3D de înaltă tehnologie în laborator. . Am descoperit că aceste particule fabricate în laborator pot reduce reflexia luminii cu până la 94%. Aceasta este o descoperire mare, deoarece este prima dată când vedem natura făcând așa ceva, în care controlează lumina într-un mod atât de specific folosind hollow. particule."
Teoriile despre motivul pentru care lăcașii se îmbracă cu o armură brohozomală au variat de la menținerea lor fără contaminanți și apă până la o mantie de invizibilitate asemănătoare unui supererou. Cu toate acestea, o nouă înțelegere a geometriei lor ridică o posibilitate puternică ca scopul său principal să fie mantia pentru a evita prădătorii, potrivit lui Tak-Sing Wong, profesor de inginerie mecanică și inginerie biomedicală și autor corespondent al studiului.
p>Cercetătorii au descoperit că dimensiunea găurilor din brohozom care îi conferă un aspect gol, asemănător unei mingi de fotbal, este extrem de importantă. Mărimea este consecventă pentru speciile de frunze, indiferent de dimensiunea corpului insectei. Brohozomii au un diametru de aproximativ 600 de nanometri – aproximativ jumătate din dimensiunea unei singure bacterii – iar porii brohozomilor sunt de aproximativ 200 de nanometri.
„Asta ne face să punem o întrebare”, a spus Wong. „De ce această consistență? Care este secretul de a avea brohozomi de aproximativ 600 de nanometri cu pori de aproximativ 200 de nanometri? Are asta un scop?”
Cercetătorii au descoperit că designul unic al brohozomilor are un dublu scop: absorbind lumina ultravioletă (UV), ceea ce reduce vizibilitatea prădătorilor cu vedere UV, cum ar fi păsările și reptilele, și împrăștie lumina vizibilă, creând un scut antireflex împotriva potențialelor amenințări. Dimensiunea orificiilor este perfecta pentru a absorbi lumina la frecventa ultravioleta.
Acest lucru ar putea duce la o varietate de aplicații pentru oameni care folosesc brohozomi sintetici, cum ar fi sisteme mai eficiente de colectare a energiei solare, acoperiri care protejează produsele farmaceutice de daune induse de lumină, creme de protecție solară avansate pentru o mai bună protecție a pielii împotriva daunelor solare. și chiar și dispozitive de disimulare, au spus cercetătorii. Pentru a testa acest lucru, echipa a trebuit mai întâi să producă brohozomi sintetici, o provocare majoră în sine.
În studiul lor din 2017, cercetătorii au imitat unele caracteristici ale brohozomilor, în special gropițele și distribuția lor, folosind materiale sintetice. materiale. Acest lucru le-a permis să înceapă să înțeleagă proprietățile optice. Cu toate acestea, ei au reușit să facă doar ceva care arăta ca niște brohozomi, nu o replică exactă.
„Este prima dată când suntem capabili să realizăm geometria exactă a brohozomului natural”, a spus Wong, explicând. că cercetătorii au reușit să creeze replici sintetice la scară ale structurilor brohozomului utilizând tehnologia avansată de imprimare 3D.
Ei au imprimat o versiune mărită care avea o dimensiune de 20.000 de nanometri sau aproximativ o cincime din diametru. a unui păr uman. Cercetătorii au replicat cu precizie forma și morfologia, precum și numărul și plasarea porilor folosind imprimarea 3D, pentru a produce brohozomi falși încă mici, care erau suficient de mari pentru a caracteriza optic.
Au folosit un Micro-Fourier. spectrometrul de transformare în infraroșu (FTIR) pentru a examina modul în care brohozomii au interacționat cu lumina infraroșie de diferite lungimi de undă, ajutând cercetătorii să înțeleagă modul în care structurile manipulează lumina.
În continuare, cercetătorii au spus că intenționează să îmbunătățească fabricarea brohozomilor sintetici. pentru a permite producția la o scară mai apropiată de dimensiunea brohozomilor naturali. Ei vor explora, de asemenea, aplicații suplimentare pentru brohozomi sintetici, cum ar fi criptarea informațiilor, în care structurile asemănătoare brohozomilor ar putea fi utilizate ca parte a unui sistem de criptare în care datele sunt vizibile doar la anumite lungimi de undă luminii.
Wang a remarcat că lor Lucrările cu brochozomi demonstrează valoarea unei abordări de cercetare biomimetică, în care oamenii de știință caută inspirație în natură.
„Natura a fost un bun profesor pentru oamenii de știință pentru a dezvolta materiale avansate noi”, a spus Wang. „În acest studiu, tocmai ne-am concentrat asupra unei singure specii de insecte, dar există mai multe insecte uimitoare care așteaptă ca oamenii de știință din materiale să le studieze și ar putea fi capabili să ne ajute să rezolvăm diverse probleme de inginerie. Nu sunt doar bug-uri. ; sunt inspirații.”
Alături de Wong și Wang de la Penn State, alți cercetători implicați în studiu includ Sheng Shen, profesor de inginerie mecanică și Zhuo Li, doctorand în inginerie mecanică, ambii la Carnegie Mellon Universitatea, care a contribuit la simulările din acest studiu. Wang și Li au contribuit în mod egal la această lucrare, pentru care cercetătorii au depus un brevet provizoriu din SUA.
Comentarii:
Adauga Comentariu