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Alas absorbentes de luz: el secreto de las mariposas súper negras



"Las costas blancas y más allá de ellas las distantes colinas verdes bajo el sol naciente" es una de las descripciones más famosas de la "continuación del camino" expresada por Gandalf en la película "El Señor de los Anillos". Si descartamos el subtexto filosófico, esta imagen parecerá banal para algunos e increíblemente hermosa para algunos. Aquí, como dicen, a cada uno lo suyo, porque la belleza está en el ojo del espectador. No importa lo que a una persona le guste admirar, ya sea una puesta de sol o una superficie marina, la física de estos objetos de placer estético permanece inmutable. Diferentes materiales interactúan con la luz de diferentes maneras, lo que da lugar a una variación tan amplia en el espectro de color. Pero hay materiales que prácticamente no reflejan la luz, absorbiendo la mayor parte. De los materiales sintéticos, vale la pena destacar Vantablack, que absorbe hasta el 99.965% de la radiación. Entonces los científicos de la Universidad de Duke descubrieronque las alas de algunos tipos de mariposas tienen características bastante comparables, mientras que son varias veces más delgadas que cualquiera de las sustancias creadas por el hombre. ¿Qué tan negras son las alas de las mariposas, por qué absorben radiación y cómo se pueden poner en práctica estos hallazgos? Un informe de científicos nos contará sobre esto. Vamos.

Base de estudio


Cuando se trata de crear un material "súper negro" que absorbe casi toda la radiación, el enfoque principal no está en los productos químicos, sino en su arquitectura interna. Entonces, por ejemplo, Vantablack está hecho de nanotubos de carbono alineados verticalmente. Sin embargo, dicho material es extremadamente frágil, lo que limita en gran medida el alcance de su aplicación.


Un pequeño video sobre Vantablack.

A diferencia de los materiales sintéticos con un alto coeficiente de absorción y, en consecuencia, un bajo coeficiente de reflexión, existen los naturales (carbón, hollín, negro de platino, etc.).

Si hablamos de seres vivos, y no de diferentes minerales, entonces aquí la naturaleza tampoco pasta en la retaguardia. En algunas especies de arañas de caballo, pájaros y mariposas, el color es comparable en propiedades con Vantablack.

Entonces, la reflectividad de las alas de las mariposas de la familia Papilionidae es de 0.2%, lo que se debe a su estructura de panal polidisperso. Y aquí surge la pregunta: ¿todas las especies de la familia Papilionidae tienen la misma estructura de ala?


Pachliopta kotzebuea es una especie de mariposas de la familia Papilionidae.

Las alas de las mariposas, a pesar de su fragilidad, son bastante complejas en su estructura, y esta es una tendencia inherente a todas las especies de todas las familias. La conclusión es que esta estructura puede diferir y proporcionar la implementación de varios procesos físicos.

Un examen detallado del ala de mariposa Papilionidae nos permite ver que la absorción de radiación se debe a dos capas de escamas microscópicas, cuyo tamaño a veces no excede los 2.5 micrones. En la parte superior de las escamas se encuentra una placa con un patrón en forma de estructura casi en forma de panal que consiste en costillas transversales que conectan los bordes.


Copos de ala de mariposa, como lo ejemplifica la especie Gonepteryx cleopatra (hierba de limón Clematra).

Según los científicos, un interés tan vivo en las mariposas en el aspecto del estudio de materiales ultra negros se debe a una serie de razones: las mariposas tienen varios tipos de escalas diferentes en su especialización, incluidos reflectores multicapa y películas delgadas; las escamas son muchas veces más delgadas que otros materiales naturales ultra negros y análogos sintéticos; Los copos son lo suficientemente livianos y duraderos como para permitir el vuelo.

Estudios anteriores han demostrado que los agujeros a nanoescala (240 nm) en la placa superior de las escamas permiten que la luz penetre dentro de las escamas, donde es absorbida por la melanina, que se une a la quitina en la cutícula. También se descubrió que tales placas absorben más luz que las placas sin agujeros. Pero aún no ha sido posible determinar con precisión el propósito de las costillas estructurales que restringen estos agujeros. Algunos científicos creen que dicha estructura proporciona un aumento en la absorción de luz debido a la dirección de la luz en el agujero.

En el estudio que estamos considerando hoy, los científicos decidieron examinar estas misteriosas escalas con más detalle para describir con mayor precisión tanto su estructura como sus propiedades de absorción de luz. Para esto, se utilizaron espectrofotometría, microscopía electrónica de barrido (SEM) y modelos de diferencia de tiempo finito en el dominio del tiempo.

Los hallazgos preliminares indican que a pesar de las diferencias significativas en el tamaño y la forma de los nanoholes, todas las escamas ultra negras tienen bordes y trabéculas empinadas, que son mucho más profundas y anchas que las escamas negras o marrones comunes. El modelado óptico ha confirmado que estas características estructurales son clave en un coeficiente de reflexión tan bajo, y que la eliminación de cualquiera de ellas aumenta considerablemente el coeficiente de reflexión en más de un orden de magnitud. También es evidente que dicha estructura en escamas aumenta el área de absorción de luz. En un intento por explicar la aplicación práctica de las alas ultra negras, los científicos presentan la teoría: dado que todas las mariposas tienen secciones súper negras del ala que siempre bordean áreas de un color diferente (blanco, rojo, etc.), esto quizás sea necesario para aumentar el brillo percibido y la saturación del color,lo que se aplica en la comunicación interespecífica e intraespecífica.

Resultados de la investigacion


Para investigar la diversidad potencial de las nanoestructuras subyacentes al color súper negro de las mariposas, los científicos seleccionaron 10 especies de mariposas de cuatro subfamilias: Papilioninae , Biblidinae , Danainae y Heliconinae . Las mariposas de color marrón y negro ordinario también se seleccionaron como grupo de control.


Imagen No. 1: reflectividad de diferentes grupos de mariposas dependiendo de la longitud de onda de la radiación.

En todas las mariposas del grupo súper negro, la reflectividad fue de 0.06% a 0.4% con luz perpendicularmente incidente (500 nm). En las mariposas del grupo de control, este parámetro osciló entre 1 y 3%.


Imagen No. 2: diversidad morfológica de la estructura de escamas del ala de las mariposas del grupo súper negro.

Los materiales ultra negros dependen en última instancia de la absorción del pigmento incrustado en una estructura compleja. Primero, se realizó una evaluación de la estructura de 11 mariposas (7 superblack, 4 control) usando SEM. En todas las mariposas, los copos tenían una capa superior perforada con agujeros cuasiperiódicos. Hubo diferencias significativas en la forma y el tamaño de los agujeros: en forma de un galón en Eunica chlorocroa ; aberturas rectangulares (500x330 nm) para Catonephele antinoe , Catonephele numilia y Heliconius doris ; aberturas rectangulares (750x500 nm) para Euploea Dufresne y Euploea Klugi .

Es de destacar que ninguna de las mariposas ninfálidas (subfamilias Biblidinae , Danainae y Heliconinae ) tenía una estructura de panal similar a la que se encuentra en los papiliónidos (familia Papilionidae ).

La ausencia de una estructura de panal en combinación con una variedad de tamaños y formas de los agujeros sugiere que la capacidad de absorción de luz de las mariposas no depende de la forma o tamaño específico de los agujeros. Sin embargo, algunos de los cambios individuales en la forma del agujero probablemente ayuden a aumentar la absorción en ángulos anormales de incidencia de la luz.


Una variedad de formas y tamaños de nanoholes por especie entre mariposas ultra negras: A - antinoe Catonephele; si — 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 ().

Se encontraron dos características estructurales comunes en todas las muestras de excelentes mariposas negras: bordes empinados y trabéculas duraderas que conectan las placas superior e inferior. En las muestras del grupo de control, las aberturas eran mucho más grandes y las trabéculas eran mucho más pequeñas o estaban completamente ausentes.


Las trabéculas (resaltadas en rojo) en los machos de especies de mariposas soberbias son más grandes que en las hembras del grupo de control: A - Trogonoptera brookiana (hembra); B - Trogonoptera brookiana (hombre); C - Catonephele numilia (hembra); D - Catonephele numilia (hombre).

Estas diferencias indican directamente la importancia de las características estructurales reveladas para obtener una baja reflectividad de las alas.



Es curioso que las alas de las mariposas ultra negras, donde se encontraron nanoholes y grandes trabéculas, incluso después de cubrirlas con oro (para realizar estudios REM) aún conservaban su color negro (foto de arriba).

Las observaciones permitieron obtener datos valiosos que se utilizaron en la simulación: se evaluó la contribución de las características geométricas identificadas del ala de mariposa a la formación de reflectividad.

Dado que la escama del ala puede tener baja reflectividad e incluso ser transparente (como las polillas), la reflectividad se calculó en dos escamas superpuestas sobre una superficie 100% blanca.

Usando el método de diferencia de tiempo finito, la reflectividad de una estructura con aberturas rectangulares de 500x330 nm se modeló para una mariposa de la especie C. antinoe (la más negra entre todas las especies estudiadas).

Luego se realizó una simulación similar, pero con costillas, trabéculas o placas basales eliminadas. Como resultado, se obtuvo un modelo de escamas de alas de mariposa con una reflectancia en el rango de 0.4 a 1.0% en toda la parte visible del espectro.


Imagen No. 3: resultados de la simulación. Designaciones de colores: azul : un modelo de escala completa; rojo - escama con trabéculas eliminadas; amarillo - escama con costillas removidas; Violeta- con placas basales eliminadas; marrón - con trabéculas y costillas removidas; verde : un bloque rectangular del mismo volumen de material absorbente que en una escama convencional.

Este indicador fue 14–40 veces más bajo que en el caso del modelado utilizando dos placas superpuestas planas del mismo material absorbente que las escamas.

Es decir, la eliminación de las costillas o toda la estructura interna de la escama condujo a un aumento de la reflectancia de 3 a 16 veces. Si elimina un volumen comparable de material reflectante sin tocar la geometría del copo, entonces la reflectividad aumenta solo dos veces. En cuanto a la eliminación de las placas basales, los cambios en este indicador fueron extremadamente menores.

A continuación, se decidió considerar la contribución de la geometría a la formación de reflectividad sin la participación de material absorbente. Para esto, se modelaron escamas con costillas transparentes y trabéculas.

Esta prueba mostró que solo los bordes de la estructura de las escamas reducen la reflectividad en un 14-58% en comparación con las escamas en las que no hay bordes. Las trabéculas, sin embargo, reducen la reflectividad en un 5-70%, en comparación con las escamas donde no están en absoluto.


Imagen No. 4: comparación de la reflectividad de las escamas sin trabéculas y con trabéculas transparentes (izquierda); Comparación de la reflectividad de las escamas sin bordes y con bordes transparentes (derecha).

Después de analizar la geometría, los científicos comenzaron a analizar el pigmento de melanina para descubrir la importancia de sus propiedades ópticas en la formación de la reflectividad general del ala de la mariposa. La melanina tiene un índice de refracción real ( n ) e imaginario ( k ) inusualmente alto para ambos materiales biológicos.

Utilizando características morfológicas de la estructura de las escamas, se simuló la reflectividad a 550 nm utilizando 99 combinaciones únicas de las partes real e imaginaria del índice de refracción. La parte real medida del índice de refracción fue de n = 1.33 (agua) a n = 1.8 (melanina), y la parte imaginaria de k = 0.0 (sin absorción) a k = 0.20.


Imagen No. 5: la reflectividad está determinada principalmente por la parte imaginaria del índice de refracción.

Sin absorción, la reflectividad de dos escamas ubicadas en un fondo blanco se aproxima al 100%, pero a k = 0.06 comienza a disminuir en un 1%. El efecto del índice de refracción real domina la acción del imaginario hasta k > 0.06. Para un copo con una parte imaginaria alta ( k > 0,10), la situación cambia y la parte real del índice de refracción se hace responsable del aumento de la reflectividad. Por ejemplo, cuando k = 0.15, la reflectividad en n = 1.33 es 88% menor que en n = 1.8. Cuando 0.06 < k<0,10, la reflectancia depende de ambos componentes del índice de refracción.

Esto sugiere que para lograr la reflectividad observada en las mariposas ultra negras, no se necesita melanina, solo se necesita material absorbente (idealmente, el material con la parte real del índice de refracción es más bajo que el de la melanina).

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .

Epílogo


Este estudio mostró que las mariposas de algunas especies tienen estructuras únicas a nanoescala en sus alas, que proporcionan una reflectividad de no más del 0.06% de radiación en un ángulo de 90 °.

Se encontró que entre los copos que cubren las alas de las mariposas, hay trabéculas que aumentan el área de superficie para absorber la radiación de la melanina cuticular.

Por lo tanto, esta estructura súper negra es comparable a las sintéticas, excepto que solo tiene 1/5 de su grosor. Por lo tanto, si tomamos como base las alas de las mariposas, podemos intentar recrear un cierto análogo sintético que tendrá una reflectividad similar y será igualmente delgado, pero fuerte.

Según los propios investigadores, su trabajo es de gran interés no solo para ingenieros y nanotecnólogos, sino también para zoólogos (en particular, lepidopterólogos que estudian mariposas), ya que no está claro por qué las mariposas son tan complejas. Quizás sea necesario un color tan inusual para atraer la atención de un compañero o para ahuyentar a los depredadores, todavía no hay una respuesta exacta. Los científicos también tienen la intención de continuar su investigación, centrándose en el componente evolutivo. Quieren averiguar cuánto color súper negro en las alas de las mariposas se manifestó a lo largo de su camino evolutivo. De esta manera, podrán entender por qué es la estructura de las escalas actualmente observada la que se hizo dominante, y también lo que influyó en su formación.

No importa lo que los científicos descubran en el futuro, su trabajo se ha convertido en otra confirmación de que la naturaleza todavía tiene algo para sorprendernos.

Viernes off-top:

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¡Gracias por su atención, tengan curiosidad y tengan un gran fin de semana a todos, muchachos! :)

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