Get best of the week

أجنحة ممتصة للضوء: سر الفراشات السوداء الفائقة



"الشواطئ البيضاء وما وراءها التلال الخضراء البعيدة تحت الشمس المشرقة" هي واحدة من أشهر الأوصاف لـ "استمرار المسار" الذي عبر عنه غاندالف في فيلم "سيد الخواتم". إذا تجاهلنا النص الفرعي الفلسفي ، فستبدو هذه الصورة مبتذلة للبعض ، وجميلة بشكل لا يصدق للبعض. هنا ، كما يقولون ، لكل شخص ، للجمال في عين الناظر. بغض النظر عن ما يحب الشخص الإعجاب به ، سواء كان ذلك غروب الشمس أو سطح البحر ، فإن فيزياء هذه الأشياء للمتعة الجمالية تظل ثابتة. تتفاعل المواد المختلفة مع الضوء بطرق مختلفة ، مما يؤدي إلى مثل هذا التنوع الواسع في طيف الألوان. ولكن هناك مواد لا تعكس الضوء عمليًا وتمتص معظمه. من المواد الاصطناعية ، يجدر تسليط الضوء على Vantablack ، التي تمتص ما يصل إلى 99.965 ٪ من الإشعاع. لذلك اكتشف العلماء في جامعة ديوك ذلكأن أجنحة بعض أنواع الفراشات لها خصائص قابلة للمقارنة تمامًا ، بينما تكون أرق عدة مرات من أي من المواد التي أنشأها الإنسان. كيف تكون أجنحة الفراشة سوداء ، لماذا تمتص الإشعاع ، وكيف يمكن وضع هذه النتائج موضع التنفيذ؟ تقرير من العلماء سيخبرنا عن هذا. اذهب.

أساس الدراسة


عندما يتعلق الأمر بإنشاء مادة "سوداء فائقة" تمتص جميع الإشعاعات تقريبًا ، فإن التركيز الرئيسي ليس على المواد الكيميائية ، بل على بنيتها الداخلية. لذا ، على سبيل المثال ، يتكون Vantablack من الأنابيب النانوية الكربونية المحاذية رأسيًا. ومع ذلك ، فإن هذه المادة هشة للغاية ، مما يحد بشكل كبير من نطاق تطبيقها.


فيديو صغير عن فانتابلاك.

على النقيض من المواد الاصطناعية ذات معامل الامتصاص العالي ، وبالتالي ، معامل الانعكاس المنخفض ، هناك معاملات طبيعية (الفحم ، السخام ، الأسود البلاتيني ، إلخ).

إذا تحدثنا عن الكائنات الحية ، وليس عن المعادن المختلفة ، فإن الطبيعة هنا أيضًا لا ترعى الجزء الخلفي. في بعض أنواع عناكب الخيول والطيور والفراشات ، يمكن مقارنة اللون بخصائص Vantablack.

لذا فإن انعكاسية أجنحة الفراشات من عائلة Papilionidae هي 0.2٪ ، ويرجع ذلك إلى تركيبها المكون من قرص العسل متعدد الأضلاع. وهنا يبرز السؤال - هل لدى جميع الأنواع من عائلة Papilionidae نفس هيكل الجناح؟


Pachliopta kotzebuea هو نوع من الفراشات من عائلة Papilionidae.

أجنحة الفراشة ، على الرغم من هشاشتها ، معقدة للغاية في هيكلها ، وهذا اتجاه متأصل في جميع الأنواع من جميع العائلات. خلاصة القول هي أن هذا الهيكل يمكن أن يختلف وينص على تنفيذ العمليات الفيزيائية المختلفة. يتيح لنا

الفحص التفصيلي لجناح الفراشة Papilionidae أن نرى أن امتصاص الإشعاع يرجع إلى طبقتين من المقاييس الميكروسكوبية ، لا يتجاوز حجمها أحيانًا 2.5 ميكرون. توجد على الجزء العلوي من المقاييس لوحة ذات نمط في شكل شبه قرص العسل تتكون من أضلاع مستعرضة تربط الحواف.


رقائق جناح الفراشة كما يتضح من الأنواع Gonepteryx cleopatra (Clematra lemongrass).

مثل هذا الاهتمام النشط بالفراشات في جانب دراسة المواد فائقة السواد يرجع ، وفقًا للعلماء ، لعدد من الأسباب: لدى الفراشات عدة أنواع من المقاييس مختلفة في تخصصها ، بما في ذلك العاكسات متعددة الطبقات والأغشية الرقيقة. المقاييس هي أرق عدة مرات من المواد الطبيعية الأخرى السوداء ونظائرها الاصطناعية. الرقائق خفيفة ومتينة بما يكفي للسماح بالطيران.

أظهرت الدراسات السابقة أن الثقوب النانوية (240 نانومتر) في الصفيحة العلوية للرقائق تسمح للضوء باختراق داخل الرقائق ، حيث يمتصه الميلانين ، الذي يرتبط بالكيتين في البشرة. وقد وجد أيضًا أن هذه الصفائح تمتص ضوءًا أكثر من الألواح بدون ثقوب. ولكن لم يكن من الممكن بعد تحديد الغرض من الأضلاع الهيكلية التي تقيد هذه الثقوب بدقة. يعتقد بعض العلماء أن مثل هذا الهيكل يوفر زيادة في امتصاص الضوء بسبب اتجاه الضوء في الحفرة.

في الدراسة التي ندرسها اليوم ، قرر العلماء دراسة هذه المقاييس الغامضة بمزيد من التفصيل من أجل وصف هيكلها وخصائصها الممتصة للضوء بشكل أكثر دقة. لهذا ، تم استخدام القياس الطيفي ، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ، ونمذجة فرق الوقت المحدود في المجال الزمني.

تشير النتائج الأولية إلى أنه على الرغم من الاختلافات الكبيرة في حجم وشكل الثقوب النانوية ، فإن جميع المقاييس فائقة الأسود لها حواف شديدة الترابيق ، وهي أعمق وأوسع من المقاييس السوداء أو البنية العادية. أكدت النمذجة البصرية أن هذه الميزات الهيكلية هي المفتاح في مثل هذا معامل الانعكاس المنخفض ، وأن إزالة أي منها يزيد بشكل حاد من معامل الانعكاس بأكثر من ترتيب الحجم. من الواضح أيضًا أن مثل هذه البنية تقشر تزيد من مساحة امتصاص الضوء. في محاولة لشرح التطبيق العملي للأجنحة فائقة الأسود ، طرح العلماء النظرية: نظرًا لأن جميع الفراشات تحتوي على أقسام سوداء فائقة من الجناح دائمًا تحدها مناطق ذات لون مختلف (أبيض ، أحمر ، إلخ) ، ربما يكون ذلك ضروريًا لزيادة السطوع المتصور وتشبع اللون ،ما يتم تطبيقه في التواصل بين الأنواع وداخل النوعية.

نتائج البحث


للتحقيق في التنوع المحتمل للبنى النانوية الكامنة وراء اللون الأسود الفائق للفراشات ، اختار العلماء 10 أنواع من الفراشات من أربع فصائل فرعية: Papilioninae و Biblidinae و Danainae و Heliconinae . كما تم اختيار الفراشات ذات اللون الأسود والبني العادي كمجموعة تحكم.


الصورة رقم 1: انعكاسية مجموعات الفراشات المختلفة اعتمادًا على الطول الموجي للإشعاع.

في جميع الفراشات من مجموعة الأسود الفائق ، كانت الانعكاسية من 0.06٪ إلى 0.4٪ مع ضوء ساق عمودي (500 نانومتر). في الفراشات من مجموعة التحكم ، تراوحت هذه المعلمة من 1 إلى 3 ٪.


شكل رقم 2: التنوع المورفولوجي لبنية قشور جناح الفراشات من المجموعة السوداء الفائقة.

تعتمد المواد فائقة السواد في النهاية على امتصاص الصبغة المضمنة في بنية معقدة. أولاً ، تم إجراء تقييم لبنية 11 فراشات (7 سوبربلاك ، 4 تحكم) باستخدام SEM. في جميع الفراشات ، كان للرقائق طبقة عليا مثقبة بثقوب شبه دورية. كانت هناك اختلافات كبيرة في شكل وحجم الثقوب: في شكل شيفرون في Eunica chlorocroa ؛ فتحات مستطيلة (500x330 نانومتر) ل Antone Catonephele ، و Catonephele numilia و Heliconius doris ؛ فتحات مستطيلة (750 × 500 نانومتر) لـ Euploea Dufresne و Euploea Klugi .

من الجدير بالذكر أنه لم يكن لدى أي من الفراشات اللامفاوية (الفصائل الفرعية Biblidinae و Danainae و Heliconinae ) بنية قرص العسل مماثلة لتلك الموجودة في بابيليون (عائلة Papilionidae ).

يشير غياب بنية قرص العسل مع مجموعة متنوعة من حجم وشكل الثقوب إلى أن قدرة امتصاص الفراشات للضوء لا تعتمد على الشكل أو الحجم المحدد للثقوب. ومع ذلك ، فإن بعض التغييرات الفردية في شكل الثقب ربما تساعد على زيادة الامتصاص عند زوايا غير طبيعية لحدوث الضوء.


مجموعة متنوعة من الأشكال والأحجام من الثقوب النانوية حسب الأنواع بين الفراشات فائقة السواد: A - Catonephele antinoe ؛ ب — Catonephele numilia (); C — Catonephele numilia (); D — Eunica chlorocroa; E — Euploea dufresne; F — Euploea midamus; G — Euploea klugi; H — Heliconius doris; I — Heliconius ismenius; J — Napeocles jucunda; K — Trogonoptera brookiana (); L — Trogonoptera brookiana ().

تم العثور على ميزتين هيكليتين مشتركتين في جميع عينات الفراشات فائقة السواد: حواف شديدة الانحدار و الترابيق المتينة التي تربط الصفائح العلوية والسفلية. في العينات من المجموعة الضابطة ، كانت الفتحات أكبر بكثير ، وكانت الترابيق إما أصغر بكثير أو غائبة تمامًا.


Trabeculae (مظللة باللون الأحمر) في الذكور من الأنواع الفائقة من الفراشات أكبر من الإناث في المجموعة الضابطة: A - Trogonoptera brookiana (أنثى) ؛ ب - Trogonoptera brookiana (ذكر) ؛ C - Catonephele numilia (أنثى) ؛ د - Catonephele numilia (ذكر).

تشير هذه الاختلافات بشكل مباشر إلى أهمية السمات الهيكلية التي تم الكشف عنها للحصول على انعكاسية منخفضة للأجنحة.



من الغريب أن أجنحة الفراشات شديدة السواد ، حيث تم العثور على الثقوب النانوية والترابيق الكبيرة ، حتى بعد تغطيتها بالذهب (لإجراء دراسات REM) لا تزال تحتفظ باللون الأسود (الصورة أعلاه).

جعلت الملاحظات من الممكن الحصول على بيانات قيمة تم استخدامها في المحاكاة: تم تقييم مساهمة السمات الهندسية المحددة لجناح الفراشة في تكوين الانعكاسية.

نظرًا لأن رقاقة الجناح يمكن أن يكون لها انعكاسية منخفضة وحتى تكون شفافة (مثل العث) ، تم حساب الانعكاسية على رقاقتين متداخلتين ملقيتين على سطح أبيض 100٪.

باستخدام طريقة اختلاف الوقت المحدود ، تم تصميم انعكاسية بنية ذات فتحات مستطيلة تبلغ 500 × 330 نانومتر لفراشة من النوع C. antinoe ( الأسود بين جميع الأنواع المدروسة).

ثم تم إجراء محاكاة مماثلة ، ولكن مع إزالة الأضلاع أو الترابيق أو الصفائح القاعدية. ونتيجة لذلك ، تم الحصول على نموذج تقشر جناح فراشة مع انعكاس في النطاق من 0.4 إلى 1.0٪ على كامل الجزء المرئي من الطيف.


الصورة رقم 3: نتائج المحاكاة. تسميات الألوان: أزرق - نموذج بمقياس كامل ؛ أحمر - تقشر مع الترابيق المزالة ؛ أصفر - تقشر مع أضلاعه التي تمت إزالتها ؛ البنفسجي- مع إزالة الصفائح القاعدية ؛ البني - مع إزالة الترابيق والأضلاع ؛ أخضر - كتلة مستطيلة من نفس حجم مادة الامتصاص كما في الرقائق التقليدية.

كان هذا المؤشر أقل بنسبة 14-40 مرة مما كان عليه في حالة النمذجة باستخدام لوحين متداخلين مسطحين من نفس مادة الامتصاص كالرقائق.

أي أن إزالة الأضلاع أو الهيكل الداخلي الكامل للرقاقة أدى إلى زيادة الانعكاس بمقدار 3-16 مرة. إذا قمت بإزالة حجم مماثل من المواد العاكسة دون لمس هندسة القشرة نفسها ، فإن الانعكاسية تزداد مرتين فقط. أما بالنسبة لإزالة الصفائح القاعدية ، فقد كانت التغييرات في هذا المؤشر غير مهمة للغاية.

بعد ذلك ، تقرر النظر في مساهمة الهندسة في تكوين الانعكاسية دون مشاركة المواد الماصة. لهذا ، تم تصميم المقاييس ذات الأضلاع الشفافة والترابيق.

أظهر هذا الاختبار أن حواف بنية القشرة فقط تقلل الانعكاسية بنسبة 14-58٪ مقارنة بالرقائق التي لا توجد بها حواف على الإطلاق. ومع ذلك ، فإن Trabeculae تقلل الانعكاسية بنسبة 5-70 ٪ ، مقارنة بالرقائق حيث لا تكون على الإطلاق.


الصورة رقم 4: مقارنة انعكاسية الرقائق بدون ترابيق و ترابيق شفافة (يسار) ؛ مقارنة الانعكاسية للرقائق بدون حواف وبحواف شفافة (يمين).

بعد تحليل الهندسة ، بدأ العلماء في تحليل صبغة الميلانين من أجل معرفة أهمية خصائصه البصرية في تكوين الانعكاسية العامة لجناح الفراشة. يحتوي الميلانين على معامل انكسار حقيقي ( n ) وخيالي ( k ) مرتفع بشكل غير عادي لكل من المواد البيولوجية.

باستخدام السمات المورفولوجية لبنية الرقائق ، تم محاكاة الانعكاسية عند 550 نانومتر باستخدام 99 مجموعة فريدة من الأجزاء الحقيقية والخيالية من معامل الانكسار. كان الجزء الحقيقي المقاس من معامل الانكسار من n = 1.33 (ماء) إلى n = 1.8 (الميلانين) ، والجزء التخيلي من k = 0.0 (بدون امتصاص) إلى k = 0.20.


الصورة رقم 5: يتم تحديد الانعكاسية بشكل أساسي من خلال الجزء التخيلي من معامل الانكسار.

بدون امتصاص ، تقترب انعكاسية رقاقتين تقعان على خلفية بيضاء 100٪ ، ولكن عند k = 0.06 تبدأ في الانخفاض بنسبة 1٪. يسيطر تأثير معامل الانكسار الحقيقي على عمل التخيل حتى k > 0.06. بالنسبة للرقائق ذات الجزء التخيلي العالي ( k > 0.10) ، يتغير الوضع ويصبح الجزء الحقيقي من مؤشر الانكسار مسؤولًا عن زيادة الانعكاسية. على سبيل المثال ، عندما يكون k = 0.15 ، تكون الانعكاسية عند n = 1.33 أقل بنسبة 88٪ من n = 1.8. عندما 0.06 < ك<0.10 ، يعتمد الانعكاس على مكوني معامل الانكسار.

هذا يشير إلى أنه لتحقيق الانعكاسية التي لوحظت في الفراشات فائقة السواد ، لا توجد حاجة إلى الميلانين ، هناك حاجة فقط إلى مادة امتصاص (من الناحية المثالية ، تكون المادة ذات الجزء الحقيقي من مؤشر الانكسار أقل من الميلانين).

لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.

الخاتمة


أظهرت هذه الدراسة أن فراشات بعض الأنواع لها هياكل فريدة نانومترية في جناحيها ، والتي توفر انعكاسية لا تزيد عن 0.06 ٪ من الإشعاع بزاوية 90 درجة.

وجد أنه بين الرقائق التي تغطي أجنحة الفراشات ، هناك الترابيق التي تزيد من مساحة السطح لامتصاص الإشعاع من الميلانين الجلدي.

وبالتالي ، فإن هذا الهيكل الأسود الفائق يمكن مقارنته بالبنية الاصطناعية ، باستثناء أنه يبلغ فقط 1/5 من سمكها. لذلك ، إذا أخذنا أجنحة الفراشات كأساس ، فيمكننا محاولة إعادة إنشاء نظير اصطناعي معين يكون له انعكاس مشابه ويكون رقيقًا بنفس القدر ، ولكنه قوي.

وفقًا للباحثين أنفسهم ، فإن عملهم ذو أهمية كبيرة ليس فقط للمهندسين وخبراء النانو ، ولكن أيضًا لأخصائيي علم الحيوان (على وجه الخصوص ، أخصائيي lepidopterter الذين يدرسون الفراشات) ، لأنه لا يزال من غير الواضح سبب تعقيد الفراشات. ربما يكون هذا اللون غير العادي ضروريًا لجذب انتباه الشريك أو تخويف الحيوانات المفترسة ، لا توجد إجابة دقيقة حتى الآن. ينوي العلماء أيضًا مواصلة أبحاثهم ، مع التركيز على المكون التطوري. إنهم يريدون معرفة مقدار اللون الأسود الفائق في أجنحة الفراشات الذي تجلى على طول مسار تطورهم. وبهذه الطريقة ، سيكونون قادرين على فهم سبب كون الهيكل الذي تمت ملاحظته حاليًا للموازين هو المسيطر ، وما أثر أيضًا على تكوينه.

بغض النظر عما يكتشفه العلماء في المستقبل ، أصبح عملهم تأكيدًا آخر على أن الطبيعة لا تزال لديها شيء يفاجئنا به.

الجمعة خارج القمة:

« » «».

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم عطلة نهاية أسبوع رائعة يا رفاق! :)

القليل من الدعاية :)


أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك ، VPS السحابي للمطورين من $ 4.99 ، وهو نظير فريد من نوعه لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة عن VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا و 40 جيجابايت DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولار! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الفئة c باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟

More articles:


All Articles