लाइट-एब्सॉर्बिंग विंग्स: द सीक्रेट टू सुपर ब्लैक बटरफ्लाइज़

"सफ़ेद तट और उनसे आगे दूर उगते हरी पहाड़ियाँ जो उगते सूरज के नीचे हैं" फिल्म "द लॉर्ड ऑफ़ द रिंग्स" में गंडालफ द्वारा व्यक्त "पथ के निरंतरता" के सबसे प्रसिद्ध विवरणों में से एक है। अगर हम दार्शनिक संदर्भ को त्याग देते हैं, तो यह चित्र कुछ के लिए बहुत ही सरल होगा, और कुछ के लिए अविश्वसनीय रूप से सुंदर होगा। यहाँ, जैसा कि वे कहते हैं, प्रत्येक अपने स्वयं के लिए, सुंदरता देखने वाले की नज़र में है। कोई फर्क नहीं पड़ता कि कोई व्यक्ति प्रशंसा करना पसंद करता है, चाहे वह सूर्यास्त हो या समुद्री सतह हो, सौंदर्य की इन वस्तुओं की भौतिकता अपरिवर्तनीय है। विभिन्न सामग्रियां प्रकाश के साथ विभिन्न तरीकों से संपर्क करती हैं, जो रंग स्पेक्ट्रम में इस तरह के व्यापक बदलाव को जन्म देती है। लेकिन ऐसी सामग्रियां हैं जो व्यावहारिक रूप से प्रकाश को प्रतिबिंबित नहीं करती हैं, अधिकांश इसे अवशोषित करती हैं। सिंथेटिक सामग्रियों में से, यह वैंटलैक को उजागर करने योग्य है, जो 99.965% विकिरण को अवशोषित करता है। इसलिए ड्यूक यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों ने इसका पता लगायाकुछ प्रकार की तितलियों के पंखों में काफी तुलनीय विशेषताएं होती हैं, जबकि मनुष्य द्वारा बनाए गए किसी भी पदार्थ की तुलना में कई गुना पतला होता है। तितलियों के पंख कितने काले होते हैं, वे विकिरण को क्यों अवशोषित करते हैं, और इन निष्कर्षों को कैसे व्यवहार में लाया जा सकता है? वैज्ञानिकों की एक रिपोर्ट हमें इस बारे में बताएगी। जाओ।

अध्ययन का आधार

जब एक "सुपर-ब्लैक" सामग्री बनाने की बात आती है जो लगभग सभी विकिरण को अवशोषित करती है, तो मुख्य ध्यान रसायनों पर नहीं है, बल्कि उनकी आंतरिक वास्तुकला पर है। तो, उदाहरण के लिए, Vantablack खड़ी संरेखित कार्बन नैनोट्यूब से बना है। हालांकि, ऐसी सामग्री बेहद नाजुक होती है, जो इसके अनुप्रयोग की सीमा को बहुत सीमित कर देती है।


Vantablack के बारे में एक छोटा सा वीडियो।

उच्च अवशोषण गुणांक के साथ सिंथेटिक सामग्री के विपरीत और, तदनुसार, एक कम प्रतिबिंब गुणांक, प्राकृतिक वाले (कोयला, कालिख, प्लैटिनम काले, आदि) हैं।

अगर हम जीवित चीजों के बारे में बात करते हैं, और विभिन्न खनिजों के बारे में नहीं, तो यहां प्रकृति भी पीछे की ओर नहीं बढ़ती है। घोड़े की मकड़ियों, पक्षियों और तितलियों की कुछ प्रजातियों में, रंग वैंटलैक के साथ गुणों में तुलनीय है।

तो पैपिलिओनिडे परिवार से तितलियों के पंखों की परावर्तनशीलता 0.2% है, जो कि उनके पॉलीइस्पिरस छत्ते की संरचना के कारण है। और यहां सवाल उठता है - क्या पैपिलिओनिडे परिवार की सभी प्रजातियों में एक ही पंख संरचना है?


पचलियोप्टा कोत्जेबुए पैपिलिओनिडे परिवार की तितलियों की एक प्रजाति है।

तितली के पंख, उनकी नाजुकता के बावजूद, उनकी संरचना में काफी जटिल हैं, और यह सभी परिवारों से सभी प्रजातियों में निहित प्रवृत्ति है। लब्बोलुआब यह है कि यह संरचना भिन्न हो सकती है और विभिन्न शारीरिक प्रक्रियाओं के कार्यान्वयन के लिए प्रदान कर सकती है।

तितली विंग पैपिलिओनिडी की एक विस्तृत परीक्षा हमें यह देखने की अनुमति देती है कि विकिरण का अवशोषण सूक्ष्म तराजू की दो परतों के कारण होता है, जिसका आकार कभी-कभी 2.5 माइक्रोन से अधिक नहीं होता है। किनारों को जोड़ने वाले अनुप्रस्थ पसलियों से मिलकर एक अर्ध-मधुकोश संरचना के रूप में एक पैटर्न के साथ एक प्लेट तराजू के ऊपरी भाग पर स्थित है।


तितली विंग फ्लेक्स प्रजाति के रूप में उदाहरण के लिए Gonepteryx क्लियोपेट्रा (क्लेमात्रा लेमनग्रास)।

अल्ट्रा-ब्लैक मटेरियल का अध्ययन करने के लिए तितलियों में इस तरह की जीवंत रुचि वैज्ञानिकों के अनुसार, कई कारणों से है: तितलियों के पास कई प्रकार के तराजू होते हैं, जिनमें बहुपरत रिफ्लेक्टर और पतली फिल्में शामिल हैं; तराजू अन्य अल्ट्रा-ब्लैक प्राकृतिक सामग्रियों और सिंथेटिक एनालॉग्स की तुलना में कई गुना पतले होते हैं; उड़ान भरने की अनुमति देने के लिए गुच्छे हल्के और टिकाऊ होते हैं।

पिछले अध्ययनों से पता चला है कि फ्लेक्स की ऊपरी प्लेट में नैनोस्केल (240 एनएम) छेद प्रकाश को गुच्छे के अंदर घुसने की अनुमति देता है, जहां यह मेलेनिन द्वारा अवशोषित होता है, जो छल्ली में चिटिन को बांधता है। यह भी पाया गया कि ऐसी प्लेटें बिना छेद वाली प्लेटों की तुलना में अधिक प्रकाश सोखती हैं। लेकिन इन छेदों को प्रतिबंधित करने वाली संरचनात्मक पसलियों के उद्देश्य को ठीक से निर्धारित करना अभी तक संभव नहीं हुआ है। कुछ वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि इस तरह की संरचना छेद में प्रकाश की दिशा के कारण प्रकाश अवशोषण में वृद्धि प्रदान करती है।

आज हम जिस अध्ययन पर विचार कर रहे हैं, वैज्ञानिकों ने उनकी संरचना और उनके प्रकाश को अवशोषित करने वाले गुणों का अधिक सटीक वर्णन करने के लिए इन रहस्यमय पैमानों की अधिक विस्तार से जांच करने का निर्णय लिया। इसके लिए, स्पेक्ट्रोफोटोमेट्री, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम), और परिमित-समय-डोमेन मॉडलिंग का उपयोग किया गया था।

प्रारंभिक निष्कर्ष यह है कि नैनोहोल के आकार और आकार में महत्वपूर्ण अंतर के बावजूद, सभी अल्ट्रा-ब्लैक स्केल में खड़ी किनारों और ट्रैबेक्यूले होते हैं, जो साधारण काले या भूरे रंग के स्केल की तुलना में बहुत गहरे और व्यापक होते हैं। ऑप्टिकल मॉडलिंग ने पुष्टि की है कि ये संरचनात्मक विशेषताएं इतने कम प्रतिबिंब गुणांक में महत्वपूर्ण हैं, और उनमें से किसी को हटाने से परिमाण के एक आदेश से अधिक प्रतिबिंब गुणांक बढ़ जाता है। यह भी स्पष्ट है कि इस तरह की परत संरचना प्रकाश अवशोषण के लिए क्षेत्र को बढ़ाती है। अल्ट्रा-ब्लैक विंग्स के व्यावहारिक अनुप्रयोग की व्याख्या करने के प्रयास में, वैज्ञानिकों ने इस सिद्धांत को आगे रखा: चूंकि सभी तितलियों के पंखों के सुपर-ब्लैक सेक्शन हमेशा एक अलग रंग (सफेद, लाल, आदि) के क्षेत्रों पर बॉर्डर होते हैं, यह शायद कथित चमक और रंग संतृप्ति को बढ़ाने के लिए आवश्यक है।क्या interspecific और intraspecific संचार में लागू किया जाता है।

शोध का परिणाम

: Nanostructures तितलियों के सुपर काले रंग अंतर्निहित के संभावित विविधता की जांच करने के लिए, वैज्ञानिकों चार उप-परिवारों से तितलियों की 10 प्रजातियों का चयन किया Papilioninae , Biblidinae , Danainae और Heliconinae । भूरे और साधारण काले रंगों की तितलियों को एक नियंत्रण समूह के रूप में भी चुना गया था।


चित्र संख्या 1: विकिरण तरंग दैर्ध्य के आधार पर तितलियों के विभिन्न समूहों की प्रतिबिंबितता।

सुपर-ब्लैक ग्रुप की सभी तितलियों में, परावर्तन घटना प्रकाश (500 एनएम) के साथ परावर्तकता 0.06% से 0.4% थी। नियंत्रण समूह से तितलियों में, यह पैरामीटर 1 से 3% तक था।


चित्र संख्या 2: सुपर-ब्लैक समूह से तितलियों के पंखों के तराजू की संरचना की रूपात्मक विविधता।

अल्ट्रा-ब्लैक सामग्री अंततः एक जटिल संरचना में एम्बेडेड वर्णक को अवशोषित करने पर निर्भर करती है। सबसे पहले, एसईएम का उपयोग करके 11 तितलियों (7 सुपरब्लैक, 4 नियंत्रण) की संरचना का एक आकलन किया गया था। सभी तितलियों में, गुच्छे में कैस्परिपरियोडिक छिद्र के साथ एक ऊपरी परत होती थी। छिद्रों के आकार और आकार में महत्वपूर्ण अंतर थे: यूनिका क्लोरोक्रोवा में एक शेवरॉन के रूप में ; आयताकार उद्घाटन (500x330 एनएम) कैटोनफेल एंटिनो के लिए , कैटोनफिल न्यूमिलिया और हेलिकोनियस डोरिस ; Euploea Dufresne और Euploea Klugi के लिए आयताकार उद्घाटन (750x500 एनएम) ।

यह उल्लेखनीय है कि नहीं nymphalid तितलियों में से एक (उप-परिवारों है Biblidinae , Danainae और Heliconinae ) एक मधुकोश संरचना papillionids (परिवार में पाया के समान था Papilionidae )।

छिद्रों के आकार और आकार के साथ संयोजन में एक छत्ते की संरचना की अनुपस्थिति बताती है कि तितलियों की प्रकाश अवशोषित करने की क्षमता विशिष्ट आकार या छेद के आकार पर निर्भर नहीं करती है। हालांकि, छेद के आकार में कुछ व्यक्तिगत परिवर्तन संभवतः प्रकाश की घटनाओं के असामान्य कोण पर अवशोषण को बढ़ाने में मदद करते हैं।


अल्ट्रा-ब्लैक तितलियों के बीच प्रजातियों द्वारा विभिन्न प्रकार के आकार और नैनोहोल के आकार : ए - कैटोनफेल एंटिनो; बी — 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 ().

सुपरब्लैक तितलियों के सभी नमूनों में दो सामान्य संरचनात्मक विशेषताएं पाई गईं: खड़ी किनारों और टिकाऊ ट्रैब्यूला, जो ऊपरी और निचले प्लेटों को जोड़ते हैं। नियंत्रण समूह से नमूनों में, उद्घाटन बहुत बड़ा था, और ट्रैबेक्यूला या तो बहुत छोटा था या पूरी तरह से अनुपस्थित था।


तितलियों की सुपरब्लैक प्रजातियों के पुरुषों में ट्रैब्यूला (लाल रंग में हाइलाइटेड) नियंत्रण समूह की मादाओं की तुलना में अधिक बड़ा है: ए - ट्रोगोनोप्टेरा ब्रुकियाना (मादा); बी - ट्रोगोनोप्टेरा ब्रुकियाना (पुरुष); सी - कैटोनफ़ेले न्यूमिलिया (महिला); डी - कैटोनफेल न्यूमिलिया (पुरुष)।

ये अंतर सीधे पंखों की कम प्रतिबिंबितता प्राप्त करने के लिए प्रकट संरचनात्मक सुविधाओं के महत्व को इंगित करते हैं।



यह उत्सुक है कि अल्ट्रा-ब्लैक तितलियों के पंख, जहां नैनोहोल्स और बड़े ट्रैबेकुले पाए गए, उन्हें सोने से ढंकने के बाद भी (आरईएम अध्ययन करने के लिए) अभी भी अपने काले रंग (ऊपर फोटो) को बरकरार रखा है।

प्रेक्षणों में उपयोग किए जाने वाले मूल्यवान डेटा को प्राप्त करना संभव बना दिया गया: परावर्तन के गठन के लिए तितली विंग के पहचाने गए ज्यामितीय विशेषताओं के योगदान का मूल्यांकन किया गया।

चूँकि विंग फ्लेक में कम परावर्तन हो सकता है और पारदर्शी भी हो सकता है (जैसे पतंगे), परावर्तकता की गणना 100% सफ़ेद सतह पर स्थित दो अतिव्यापी गुच्छे पर की जाती है।

परिमित समय अंतर विधि का उपयोग करते हुए, 500x330 एनएम के आयताकार उद्घाटन के साथ एक संरचना की प्रतिबिंबितता को प्रजाति सी। एंटीनो (सभी अध्ययन किए गए प्रजातियों में सबसे काला ) के एक तितली के लिए तैयार किया गया था ।

फिर एक समान सिमुलेशन किया गया था, लेकिन हटाए गए पसलियों, ट्रेबिकुले या बेसल प्लेटों के साथ। नतीजतन, स्पेक्ट्रम के पूरे दृश्य भाग में 0.4 से 1.0% तक की सीमा में एक परावर्तन के साथ एक तितली विंग फ्लेक मॉडल प्राप्त किया गया था।


छवि नंबर 3: सिमुलेशन परिणाम। रंगों के पदनाम: नीला - एक पूर्ण पैमाने का एक मॉडल; लाल - हटाए गए trabeculae के साथ परत; पीले - हटाए गए पसलियों के साथ परत; बैंगनी- हटाए गए बेसल प्लेटों के साथ; भूरा - हटाए गए ट्रैबेकुला और पसलियों के साथ; हरे रंग - एक पारंपरिक परत में के रूप में अवशोषित सामग्री की एक ही मात्रा का एक आयताकार ब्लॉक।

यह सूचक गुच्छे के रूप में एक ही अवशोषित सामग्री के दो फ्लैट ओवरलैपिंग प्लेटों का उपयोग करके मॉडलिंग के मामले में 14-40 गुना कम था।

यही है, पसलियों को हटाने या परत के पूरे आंतरिक संरचना को 3–16 गुना तक परावर्तन में वृद्धि हुई। यदि आप परत के ज्यामिति को छूने के बिना परावर्तक सामग्री का एक तुलनीय मात्रा निकालते हैं, तो परावर्तकता केवल दो बार बढ़ती है। बेसल प्लेटों को हटाने के लिए, इस सूचक में परिवर्तन बेहद महत्वहीन थे।

अगला, सामग्री को अवशोषित करने की भागीदारी के बिना परावर्तकता के गठन के लिए ज्यामिति के योगदान पर विचार करने का निर्णय लिया गया। इसके लिए, पारदर्शी पसलियों और ट्रेबिकुले के साथ तराजू को मॉडल किया गया था।

इस परीक्षण से पता चला है कि केवल परत के ढांचे के किनारों पर परावर्तकता को 14-58% तक कम किया जाता है, जिसमें गुच्छे नहीं होते हैं। ट्रेबाकुले, हालांकि, गुच्छे की तुलना में 5-70% तक परावर्तन को कम करते हैं, जहां वे बिल्कुल नहीं होते हैं।


छवि नंबर 4: ट्रेबेक्युला के बिना गुच्छे की परावर्तनशीलता की तुलना और पारदर्शी ट्रैक्यूला (बाएं) के साथ; किनारों के बिना और पारदर्शी किनारों (दाएं) के साथ गुच्छे की प्रतिबिंबितता की तुलना।

ज्यामिति का विश्लेषण करने के बाद, वैज्ञानिकों ने तितली पंख के सामान्य परावर्तन के गठन में इसके ऑप्टिकल गुणों के महत्व का पता लगाने के लिए मेलेनिन वर्णक का विश्लेषण करना शुरू किया। मेलेनिन में जैविक सामग्री के लिए असामान्य रूप से उच्च वास्तविक ( एन ) और काल्पनिक ( के ) अपवर्तक सूचकांक है।

गुच्छे की संरचना की रूपात्मक विशेषताओं का उपयोग करते हुए, अपवर्तक सूचकांक के वास्तविक और काल्पनिक भागों के 99 अद्वितीय संयोजनों का उपयोग करके 550 एनएम पर प्रतिबिंबित किया गया था। अपवर्तक सूचकांक का मापा वास्तविक भाग n = 1.33 (पानी) से n = 1.8 (मेलेनिन), और काल्पनिक भाग k = 0.0 (बिना अवशोषण) से k = 0.20 तक था।


चित्र संख्या 5: परावर्तकता मुख्य रूप से अपवर्तनांक के काल्पनिक भाग द्वारा निर्धारित की जाती है।

अवशोषण के बिना, श्वेत पृष्ठभूमि पर स्थित दो गुच्छे की परावर्तकता 100% तक पहुंच जाती है, लेकिन k = 0.06 पर यह 1% से कम होने लगती है। वास्तविक अपवर्तक सूचकांक का प्रभाव k > 0.06 तक काल्पनिक की कार्रवाई पर हावी है । उच्च काल्पनिक भाग ( k > 0.10) के साथ एक परत के लिए , स्थिति में परिवर्तन होता है और परावर्तक सूचकांक का वास्तविक हिस्सा परावर्तन में वृद्धि के लिए जिम्मेदार हो जाता है। उदाहरण के लिए, जब k = 0.15, n = 1.33 पर परावर्तनता n = 1.8 से 88% कम है । जब 0.06 < k<0.10, परावर्तन सूचकांक के दोनों घटकों पर निर्भर करता है।

इससे पता चलता है कि अल्ट्रा-ब्लैक तितलियों में देखी गई परावर्तकता को प्राप्त करने के लिए, मेलेनिन की जरूरत नहीं है, केवल अवशोषित सामग्री की जरूरत है (आदर्श रूप से, अपवर्तक सूचकांक के वास्तविक भाग के साथ सामग्री मेलेनिन की तुलना में कम है)।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मेरा सुझाव है कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

इस अध्ययन से पता चला कि कुछ प्रजातियों की तितलियों के पंखों में अद्वितीय नैनोस्केल संरचना होती है, जो 90 ° के कोण पर 0.06% से अधिक विकिरण की परावर्तकता प्रदान नहीं करती है।

यह पाया गया कि तितलियों के पंखों को ढंकने वाले गुच्छे के बीच, ट्रिबेकुला होते हैं जो क्यूटिकल मेलेनिन से विकिरण को अवशोषित करने के लिए सतह क्षेत्र को बढ़ाते हैं।

इस प्रकार, यह सुपर-ब्लैक संरचना सिंथेटिक लोगों के लिए तुलनीय है, सिवाय इसके कि यह उनकी मोटाई का केवल 1/5 है। इसलिए, यदि हम एक आधार के रूप में तितलियों के पंख लेते हैं, तो हम एक निश्चित सिंथेटिक एनालॉग को फिर से बनाने की कोशिश कर सकते हैं, जिसमें समान परावर्तन होगा और उतना ही पतला, लेकिन मजबूत होगा।

खुद शोधकर्ताओं के अनुसार, उनका काम न केवल इंजीनियरों और नैनोटेक्नोलॉजिस्टों के लिए, बल्कि जूलॉजिस्ट्स के लिए (विशेष रूप से, तितलियों का अध्ययन करने वाले लेपिडोप्टेरोलॉजिस्ट) के लिए बहुत रुचि का है, क्योंकि यह स्पष्ट नहीं है कि तितलियां इतनी जटिल क्यों हैं। शायद एक साथी का ध्यान आकर्षित करने या शिकारियों को डराने के लिए ऐसा असामान्य रंग आवश्यक है, अभी तक कोई सटीक जवाब नहीं है। वैज्ञानिक भी विकासवादी घटक पर ध्यान केंद्रित करते हुए अपने शोध को जारी रखने का इरादा रखते हैं। वे यह पता लगाना चाहते हैं कि तितलियों के पंखों में कितना काला-काला रंग होता है, जो उनके विकासवादी मार्ग के साथ ही प्रकट होता है। इस तरह, वे यह समझने में सक्षम होंगे कि क्यों यह वर्तमान में तराजू की संरचना है जो प्रमुख हो गया है, और यह भी कि इसके गठन को क्या प्रभावित किया गया है।

कोई फर्क नहीं पड़ता कि भविष्य में वैज्ञानिक क्या पता करते हैं, उनका काम अभी तक एक और पुष्टि बन गया है कि प्रकृति अभी भी हमारे साथ आश्चर्यचकित करने के लिए कुछ है।

शुक्रवार को ऑफ-टॉप:

« » «».

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और हर किसी के लिए एक शानदार सप्ताहांत हो, दोस्तों! :)

विज्ञापन का एक सा :)

हमारे साथ रहने के लिए धन्यवाद। क्या आप हमारे लेख पसंद करते हैं? अधिक दिलचस्प सामग्री देखना चाहते हैं? एक ऑर्डर देकर या $ 4.99 से डेवलपर्स के लिए अपने दोस्तों के क्लाउड-आधारित VPS की अनुशंसा करके हमें समर्थन दें, आपके द्वारा आविष्कार किया गया एंट्री-लेवल सर्वर का एक अनूठा एनालॉग: VPS (KVM) E5-2697 3 (6 करोड़) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps के बारे में पूरी सच्चाई $ 19 या सर्वर को कैसे विभाजित करें? (विकल्प RAID1 और RAID10 के साथ उपलब्ध हैं, 24 कोर तक और 40GB DDR4 तक)।

डेल R730xd एम्स्टर्डम में इक्विनिक्स टीयर IV डेटा सेंटर में 2 गुना सस्ता? केवल हमारे पास 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV नीदरलैंड के 199 डॉलर में से है!डेल R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $ 99 से! इन्फ्रास्ट्रक्चर Bldg का निर्माण कैसे करें के बारे में पढ़ें । एक पैसा के लिए 9,000 यूरो की लागत डेल R730xd E5-2650 v4 सर्वर का उपयोग कर वर्ग सी?