Cientistas de nanotecnologia aproveitam estranhas excreções semelhantes a bolas de futebol de um inseto para projetar uma camuflagem engenhosa

Cientistas de nanotecnologia aproveitam estranhas excreções semelhantes a bolas de futebol de um inseto para projetar uma camuflagem engenhosa

Por Ivan Amato editado por Gary Stix

No início da década de 1950, biólogos do Brooklyn Faculty usavam um microscópio eletrónico para descobrir que a cigarrinha, um inseto comum que tem aproximadamente o tamanho de um grão de arroz e que recebeu o nome de um dos seus comportamentos característicos, poderia ser um agente de transmissão viral. Em sua pesquisa, os cientistas observaram incidentalmente, em suas palavras“certos corpos ultramicroscópicos, até então não descritos”, nas asas das cigarrinhas. Em uma nota de 1953 no Boletim da Sociedade Entomológica do Brooklyneles apelidaram essas estruturas minúsculas, esféricas e semelhantes a macacos de “brocossomos”, em homenagem a uma palavra grega que significa “malha de rede”.

Desde então, uma linha tênue, mas determinada, de cientistas e engenheiros construiu uma hiperespecialidade ancorada nos brocossomas. Esses pesquisadores são atraídos para esses subpontos de matéria altamente estruturada pelas maravilhas biológicas que eles incorporam e pelas possibilidades tecnológicas que suas formas elaboradamente porosas e propriedades físicas sugerem. Os aficionados do Brochosome não hesitam em compartilhar sua alegria por terem se deparado com um tour de drive evolutivo.

“Nosso grupo ficou intrigado com os brocossomos pela primeira vez por volta de 2015, atraído por suas dimensões em nanoescala e geometrias intrincadas e tridimensionais semelhantes a buckyball”, diz Tak-Sing Wongengenheiro biomédico e mecânico da Universidade Estadual da Pensilvânia. “Ficamos impressionados com a forma como as cigarrinhas conseguem produzir consistentemente estruturas tão complexas em nanoescala, especialmente considerando que mesmo com nossas tecnologias de micro e nanofabricação mais avançadas, ainda lutamos para alcançar tal uniformidade e escalabilidade.”

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Tanto quanto qualquer pessoa interessada nessas estruturas, Wong tem trabalhado para canalizar sua inveja dos brocossomas para a criação de um gabinete de curiosidades tecnológicas baseado na habilidade dos brocossomas em absorver faixas específicas de comprimentos de onda visíveis e ultravioleta. Wong, com seus parceiros da Penn State e da Carnegie Mellon College, recebeu duas patentes nos EUA e tem outras pendentes para processos de fabricação de contrapartes sintéticas de brocossomos.

Wong diz que os brocossomos sintéticos são potencialmente adequados para uma série de aplicações, incluindo materiais anti-reflexo e de camuflagem, antifalsificação, criptografia de dados e uma tática de “segurança óptica”, na qual informações ocultas se tornam visíveis apenas quando são iluminadas, por exemplo, com infravermelho ou ultravioleta. luz. Os pesquisadores conseguiram reunir conceder dinheiro do Escritório de Pesquisa Navalque está sempre à procura da próxima forma de tornar mais difícil aos adversários detectar e rastrear embarcações navais, aeronaves e outros meios militares dos EUA.

Grande parte da pesquisa e desenvolvimento recentes inspirados em brocossomos em todo o mundo, observa Wong, deriva de a atualização ultra-anti-reflexiva que os brocossomos produzidos pela natureza adicionam ao corpo das cigarrinhas. Não se trata apenas de uma física óptica fantástica: este truque da luz torna os insectos furtivos nas superfícies das folhas, onde insectos famintos, pássaros e aranhas procuram presas.

Algumas das incursões na biologia dos brocossomas revelaram que estas inovações naturais em nanoescala são compostas de proteínas e lípidos que são reunidos em nanoesferas furtivas dentro de compartimentos especializados dos túbulos de Malpighi dos insectos, que são órgãos excretores semelhantes aos rins. Com as patas traseiras, os insetos limpam todo o seu corpo com microgotículas repletas de brocossoma provenientes do ânus, resultando em capas absorventes de luz que os ajudam a viver mais um dia.

Mas as nanoesferas são boas para mais do que apenas ocultação. Em uma adição recente à crescente lista de conceitos e protótipos de tecnologias inspiradas em brocossomas, a equipe de Wong na Penn State juntou-se a pesquisadores da Carnegie Mellon College, liderados pelo engenheiro mecânico Sheng Shencom o objetivo de fornecer novos materiais não apenas para camuflagem, mas também para novos dispositivos de segurança e criptografia. A tecnologia aproveita a incapacidade das pessoas de perceber a luz infravermelha.

À medida que os investigadores faziam medições dos aspectos ópticos e outros aspectos físicos dos brocosomas sintéticos, notaram que “embora estas estruturas parecessem idênticas sob a luz visível, exibiam contrastes dramáticos nas imagens infravermelhas”, diz Shen. E isso desencadeou uma ideia de tecnologia de encriptação e segurança, que os investigadores estão agora a perseguir. A equipe está perguntando se seria possível codificar informações infravermelhas de forma invisível dentro do espectro visível. Um pequeno ponto desse materials brocossômico infravermelho ativo na moeda poderia servir como uma assinatura de autenticidade e adicionar um obstáculo adicional para possíveis falsificadores.

Os pesquisadores exploraram meia dúzia de maneiras de fabricar brocossomos sintéticos de vários tamanhos e geometrias. Através da utilização de diferentes materiais poliméricos, cerâmicos e metálicos, o gabinete de tecnocuriosidades inspiradas nos brocossomas está cada vez mais atraente.

Uma equipe de pesquisadores chineses que são fãs de brocossomas relatou recentemente um processo para criar um espectro vívido de partículas que conferem cores, preenchendo pequenas reentrâncias – espaços “nanobowl” – em estruturas de brocossomas de prata com minúsculas esferas de poliestireno. Quando os pesquisadores adaptaram os tamanhos das esferas com um método de gravação preciso, eles foram capazes de ajustar as interações eletromagnéticas entre as esferas e, assim, as cores aparentes das estruturas sintéticas dos brocossomas. Em um ACS Nano papel no qual os pesquisadores implementaram sua estratégia de produção de cores, eles sugeriram que isso abriu um caminho para a produção de cores mais duradouras e mais estáveis ​​em comparação com corantes e pigmentos químicos de vida mais curta.

Um outro grupo de pesquisa chinês, tentando imitar os feitos de mestre do disfarce dos camaleões, cefalópodes e outras criaturas, fabricou estruturas de brocossoma à base de óxido de tungstênio que se tornam menos reflexivos quando são estimulados eletricamente. Um possível ponto ultimate para este trabalho poderia ser aplicações de poupança de energia – janelas que pudessem common a quantidade de energia photo voltaic e térmica que passa através delas ao longo do dia.

Em uma lista de tarefas ainda mais ampla e eclética estão eletrodos de coleta de luz que poderia gerar e encurralar elétrons energizados para produzir hidrogênio combustível e superfícies autolimpantes que possam repelir líquidos e adesivos. Também estão na lista sensores que poderiam ser adaptado para detectar bactérias e proteínas específicas para monitoramento ambiental e aplicações de saúde. Além disso, existe a perspectiva de partículas inspiradas em brocossomas cujos poros e superfícies poderiam ser adaptado para transportar medicamentos específicos para atingir os tecidos.

A promessa parece enorme, mas uma period de tecnologia inspirada nos brocossomas não é uma perspectiva imediata. “Um dos principais gargalos ao uso generalizado de brocossomas sintéticos é a falta de tecnologias de produção escaláveis, uma vez que as suas formas 3D complexas e dimensões em nanoescala continuam a ser difíceis de replicar em escala”, adverte Wong.

Independentemente de tecnologias específicas inspiradas em brocossomas chegarem à linha de chegada ou não, Wong diz que adora compartilhar seu trabalho com familiares e amigos não-cientistas. “Eles ficam imediatamente cativados pela beleza das estruturas parecidas com bolas de futebol dos brocossomos”, diz ele. “Quando explico que as estruturas são cerca de 100 vezes mais finas que o diâmetro de um fio de cabelo, eles mal conseguem acreditar.”

Enquanto isso, Shen acolhe um aspecto humilhante deste romance de pesquisa com os brocossomos. “É um lembrete poderoso de que a inovação nem sempre precisa vir da engenhosidade humana”, diz ele. “Às vezes a natureza já resolveu os problemas em que estamos trabalhando.”