Sayap Penyerap Cahaya: Rahasia untuk Kupu-kupu Super Hitam

"Pantai putih dan di baliknya bukit-bukit hijau yang jauh di bawah matahari terbit" adalah salah satu deskripsi paling terkenal dari "kelanjutan perjalanan" diungkapkan oleh Gandalf dalam film "The Lord of the Rings". Jika kita membuang subteks filosofis, gambar ini akan tampak biasa bagi sebagian orang, dan sangat indah bagi sebagian orang. Di sini, seperti yang mereka katakan, untuk masing-masing miliknya, karena keindahan ada di mata yang melihatnya. Tidak peduli apa yang orang suka kagumi, apakah itu matahari terbenam atau permukaan laut, fisika benda-benda kesenangan estetika ini tetap abadi. Bahan yang berbeda berinteraksi dengan cahaya dengan cara yang berbeda, yang menimbulkan variasi spektrum warna yang begitu luas. Tetapi ada bahan yang praktis tidak memantulkan cahaya, menyerap sebagian besar. Dari bahan sintetis, ada baiknya menyoroti Vantablack, yang menyerap hingga 99,965% radiasi. Jadi para ilmuwan di Universitas Duke menemukanbahwa sayap beberapa jenis kupu-kupu memiliki karakteristik yang cukup sebanding, sementara menjadi beberapa kali lebih tipis daripada zat apa pun yang diciptakan manusia. Seberapa hitam sayap kupu-kupu, mengapa mereka menyerap radiasi, dan bagaimana temuan ini bisa dipraktikkan? Sebuah laporan oleh para ilmuwan akan memberi tahu kami tentang hal ini. Pergilah.

Dasar studi

Ketika datang untuk menciptakan bahan "super-hitam" yang menyerap hampir semua radiasi, fokus utamanya bukan pada bahan kimia, tetapi pada arsitektur internal mereka. Jadi, misalnya, Vantablack terbuat dari karbon nanotube vertikal. Namun, bahan semacam itu sangat rapuh, yang sangat membatasi rentang penerapannya.


Video kecil tentang Vantablack.

Berbeda dengan bahan sintetis dengan koefisien penyerapan tinggi dan, karenanya, koefisien refleksi rendah, ada yang alami (batubara, jelaga, platinum hitam, dll.).

Jika kita berbicara tentang makhluk hidup, dan bukan tentang berbagai mineral, maka di sini alam juga tidak menyentuh bagian belakang. Pada beberapa spesies laba-laba kuda, burung, dan kupu-kupu, warnanya sebanding dengan sifat Vantablack.

Jadi reflektivitas sayap kupu-kupu dari keluarga Papilionidae adalah 0,2%, yang disebabkan oleh struktur sarang lebah polydisperse mereka. Dan di sini muncul pertanyaan - apakah semua spesies dari keluarga Papilionidae memiliki struktur sayap yang sama?


Pachliopta kotzebuea adalah spesies kupu-kupu dari keluarga Papilionidae.

Sayap kupu-kupu, terlepas dari kerapuhannya, cukup rumit dalam strukturnya, dan ini merupakan kecenderungan yang melekat pada semua spesies dari semua keluarga. Intinya adalah bahwa struktur ini dapat berbeda dan menyediakan implementasi berbagai proses fisik.

Pemeriksaan terperinci sayap kupu-kupu Papilionidae memungkinkan kita untuk melihat bahwa penyerapan radiasi disebabkan oleh dua lapisan skala mikroskopis, yang ukurannya kadang-kadang tidak melebihi 2,5 mikron. Piring dengan pola berupa struktur quasi-honeycomb yang terdiri atas tulang rusuk yang menghubungkan ujung-ujungnya terletak di bagian atas timbangan.


Serpihan sayap kupu-kupu seperti dicontohkan oleh spesies Gonepteryx cleopatra (Clematra serai).

Minat yang begitu hidup pada kupu-kupu dalam aspek mempelajari bahan ultra-hitam disebabkan, menurut para ilmuwan, karena sejumlah alasan: kupu-kupu memiliki beberapa jenis serpihan spesialisasi, termasuk reflektor berlapis-lapis dan film tipis; sisik berkali-kali lebih tipis dari bahan alami dan analog sintetis ultra-hitam lainnya; Serpihannya ringan dan cukup tahan lama untuk memungkinkan penerbangan.

Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa lubang berskala nano (240 nm) di lempeng atas serpihan memungkinkan cahaya menembus di dalam serpih, tempat serapan itu diserap oleh melanin, yang berikatan dengan kitin dalam kutikula. Juga ditemukan bahwa pelat tersebut menyerap lebih banyak cahaya daripada pelat tanpa lubang. Tetapi belum memungkinkan untuk secara tepat menentukan tujuan rusuk struktural yang membatasi lubang-lubang ini. Beberapa ilmuwan percaya bahwa struktur seperti itu memberikan peningkatan dalam penyerapan cahaya karena arah cahaya di dalam lubang.

Dalam penelitian yang kami pertimbangkan hari ini, para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa skala misterius ini secara lebih rinci untuk menggambarkan struktur dan sifat penyerap cahaya mereka secara lebih akurat. Untuk ini, spektrofotometri, pemindaian mikroskop elektron (SEM), dan pemodelan perbedaan waktu hingga dalam domain waktu digunakan.

Temuan awal adalah bahwa meskipun ada perbedaan yang signifikan dalam ukuran dan bentuk nanoholes, semua sisik ultra-hitam memiliki tepi yang curam dan trabekula, yang jauh lebih dalam dan lebih luas dari skala hitam atau coklat biasa. Pemodelan optik telah mengkonfirmasi bahwa fitur struktural ini adalah kunci dalam koefisien refleksi rendah, dan bahwa penghapusan salah satu dari mereka secara tajam meningkatkan koefisien refleksi lebih dari satu urutan besarnya. Juga terlihat jelas bahwa struktur serpihan seperti itu meningkatkan area untuk penyerapan cahaya. Dalam upaya untuk menjelaskan penerapan praktis sayap ultra-hitam, para ilmuwan mengemukakan teori: karena semua kupu-kupu memiliki bagian sayap super-hitam yang selalu berbatasan dengan area dengan warna berbeda (putih, merah, dll.), Ini mungkin diperlukan untuk meningkatkan kecerahan yang dirasakan dan saturasi warna,apa yang diterapkan dalam komunikasi interspesifik dan intraspesifik.

Hasil penelitian

Untuk mempelajari keragaman potensial struktur nano yang mendasari warna super-hitam dari kupu-kupu, para ilmuwan memilih 10 spesies kupu-kupu dari empat subfamili: Papilioninae , Biblidinae , Danainae dan Heliconinae . Kupu-kupu warna coklat dan hitam biasa juga dipilih sebagai kelompok kontrol.


Gambar No. 1: reflektifitas kelompok kupu-kupu yang berbeda tergantung pada panjang gelombang radiasi.

Pada semua kupu-kupu dari kelompok super-hitam, reflektifitasnya adalah dari 0,06% hingga 0,4% dengan cahaya yang tegak lurus (500 nm). Pada kupu-kupu dari kelompok kontrol, parameter ini berkisar antara 1 hingga 3%.


Gambar No. 2: keanekaragaman morfologi struktur sisik sayap kupu-kupu dari kelompok super-hitam.

Bahan ultra-hitam pada akhirnya tergantung pada menyerap pigmen yang tertanam dalam struktur yang kompleks. Pertama, penilaian dibuat dari struktur 11 kupu-kupu (7 superblack, 4 kontrol) menggunakan SEM. Pada semua kupu-kupu, serpihan memiliki lapisan atas berlubang dengan lubang semi-periodik. Ada perbedaan signifikan dalam bentuk dan ukuran lubang: dalam bentuk chevron di Eunica chlorocroa ; bukaan persegi panjang (500x330 nm) untuk Catonephele antinoe , Catonephele numilia dan Heliconius doris ; bukaan persegi panjang (750x500 nm) untuk Euploea Dufresne dan Euploea Klugi .

Patut dicatat bahwa tidak satu pun dari kupu-kupu nymphalid (subfamilies Biblidinae , Danainae dan Heliconinae ) memiliki struktur sarang lebah yang mirip dengan yang ditemukan pada papillionid (famili Papilionidae ).

Tidak adanya struktur sarang lebah dalam kombinasi dengan berbagai ukuran dan bentuk lubang menunjukkan bahwa kemampuan menyerap cahaya kupu-kupu tidak tergantung pada bentuk atau ukuran lubang tertentu. Namun, beberapa perubahan individu dalam bentuk lubang mungkin membantu meningkatkan penyerapan pada sudut abnormal kejadian cahaya.


Berbagai bentuk dan ukuran nanoholes oleh spesies di antara kupu-kupu ultra-hitam: A - Catonephele antinoe; B — 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 ().

Dua fitur struktural umum ditemukan dalam semua sampel kupu-kupu superblack: tepi curam dan trabekula tahan lama yang menghubungkan pelat atas dan bawah. Dalam sampel dari kelompok kontrol, bukaan jauh lebih besar, dan trabekula jauh lebih kecil atau sama sekali tidak ada.


Trabekula (disorot dengan warna merah) pada pria dari spesies kupu-kupu superblack lebih besar daripada pada wanita dari kelompok kontrol: A - Trogonoptera brookiana (wanita); B - Trogonoptera brookiana (pria); C - Catonephele numilia (perempuan); D - Catonephele numilia (pria).

Perbedaan-perbedaan ini secara langsung menunjukkan pentingnya fitur struktural yang terungkap untuk mendapatkan reflektifitas sayap yang rendah.



Sangat mengherankan bahwa sayap kupu-kupu ultra-hitam, di mana nanoholes dan trabekula besar ditemukan, bahkan setelah menutupi mereka dengan emas (untuk melakukan studi REM) masih mempertahankan warna hitam mereka (foto di atas).

Pengamatan memungkinkan untuk mendapatkan data berharga yang digunakan dalam simulasi: kontribusi fitur geometris yang diidentifikasi dari sayap kupu-kupu untuk pembentukan reflektifitas dievaluasi.

Karena serpihan sayap dapat memiliki reflektivitas yang rendah dan bahkan transparan (seperti ngengat), reflektifitas dihitung pada dua serpihan yang tumpang tindih yang terletak pada permukaan putih 100%.

Menggunakan metode beda waktu hingga, reflektifitas struktur dengan bukaan persegi panjang 500x330 nm dimodelkan untuk kupu-kupu spesies C. antinoe (yang paling hitam di antara semua spesies yang diteliti).

Kemudian simulasi serupa dilakukan, tetapi dengan tulang rusuk dihapus, trabekula atau pelat basal. Akibatnya, model serpihan sayap kupu-kupu diperoleh dengan reflektansi dalam kisaran 0,4 hingga 1,0% di atas seluruh bagian spektrum yang tampak.


Gambar No. 3: hasil simulasi. Penunjukan warna: biru - model skala penuh; serpihan merah dengan trabekula yang dihilangkan; serpihan kuning dengan tulang rusuk yang dihilangkan; Violet- dengan pelat basal yang dilepaskan; coklat - dengan trabekula dan tulang rusuk yang dihilangkan; hijau - blok persegi panjang dengan volume yang sama dari bahan penyerap seperti pada serpihan konvensional.

Indikator ini 14-40 kali lebih rendah daripada dalam kasus pemodelan menggunakan dua pelat datar yang tumpang tindih dari bahan penyerap yang sama dengan serpihan.

Yaitu, pengangkatan tulang rusuk atau seluruh struktur internal serpihan menyebabkan peningkatan pantulan 3-16 kali. Jika Anda menghapus volume bahan reflektif yang sebanding tanpa menyentuh geometri serpihan itu sendiri, maka reflektivitas hanya meningkat dua kali lipat. Adapun penghapusan pelat basal, perubahan dalam indikator ini sangat tidak signifikan.

Selanjutnya, diputuskan untuk mempertimbangkan kontribusi geometri terhadap pembentukan reflektifitas tanpa partisipasi bahan penyerap. Untuk ini, skala dengan tulang rusuk transparan dan trabekula dimodelkan.

Tes ini menunjukkan bahwa hanya ujung-ujung struktur serpihan yang mengurangi reflektifitas sebesar 14-58% dibandingkan dengan serpihan di mana tidak ada tepian sama sekali. Trabekula, bagaimanapun, mengurangi reflektivitas 5-70%, dibandingkan dengan serpihan di mana mereka tidak sama sekali.


Gambar No. 4: perbandingan reflektifitas serpihan tanpa trabekula dan dengan trabekula transparan (kiri); perbandingan reflektifitas serpihan tanpa tepi dan dengan tepi transparan (kanan).

Setelah menganalisis geometri, para ilmuwan mulai menganalisis pigmen melanin untuk mengetahui pentingnya sifat optiknya dalam pembentukan reflektifitas umum sayap kupu-kupu. Melanin memiliki indeks bias nyata ( n ) dan imajiner ( k ) yang luar biasa tinggi untuk kedua bahan biologis.

Menggunakan fitur morfologis struktur serpih, reflektifitas disimulasikan pada 550 nm menggunakan 99 kombinasi unik dari bagian nyata dan imajiner dari indeks bias. Bagian nyata yang diukur dari indeks bias adalah dari n = 1,33 (air) hingga n = 1,8 (melanin), dan bagian imajiner dari k = 0,0 (tanpa penyerapan) hingga k = 0,20.


Gambar No. 5: reflektifitas terutama ditentukan oleh bagian imajiner dari indeks bias.

Tanpa penyerapan, reflektifitas dari dua serpihan yang terletak pada latar belakang putih mendekati 100%, tetapi pada k = 0,06 mulai menurun sebesar 1%. Pengaruh indeks bias nyata mendominasi aksi imajiner hingga k > 0,06. Untuk serpihan dengan bagian imajiner tinggi ( k > 0,10), situasi berubah dan bagian nyata dari indeks bias menjadi bertanggung jawab atas peningkatan reflektifitas. Misalnya, ketika k = 0,15, reflektivitas pada n = 1,33 adalah 88% lebih rendah dari pada n = 1,8. Kapan 0,06 < k<0,10, reflektansi tergantung pada kedua komponen indeks bias.

Hal ini menunjukkan bahwa untuk mencapai reflektivitas yang diamati pada kupu-kupu ultra-hitam, melanin tidak diperlukan, hanya diperlukan bahan penyerap (idealnya, bahan dengan bagian nyata dari indeks bias lebih rendah daripada melanin).

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Studi ini menunjukkan bahwa kupu-kupu dari beberapa spesies memiliki struktur skala nano yang unik di sayapnya, yang memberikan reflektivitas tidak lebih dari 0,06% radiasi pada sudut 90 °.

Ditemukan bahwa di antara serpihan yang menutupi sayap kupu-kupu, ada trabekula yang meningkatkan luas permukaan untuk menyerap radiasi dari melanin kutikula.

Dengan demikian, struktur super-hitam ini sebanding dengan yang sintetis, kecuali hanya 1/5 dari ketebalannya. Oleh karena itu, jika kita menggunakan sayap kupu-kupu sebagai dasar, kita dapat mencoba membuat ulang analog sintetis tertentu yang akan memiliki reflektivitas yang sama dan sama-sama tipis, tetapi kuat.

Menurut para peneliti sendiri, pekerjaan mereka sangat menarik tidak hanya untuk insinyur dan nanoteknologi, tetapi juga untuk ahli zoologi (khususnya, ahli lepidopterologi mempelajari kupu-kupu), karena masih belum jelas mengapa kupu-kupu sangat kompleks. Mungkin warna yang tidak biasa seperti itu diperlukan untuk menarik perhatian pasangan atau untuk menakuti predator, belum ada jawaban pasti. Para ilmuwan juga berniat untuk melanjutkan penelitian mereka, dengan fokus pada komponen evolusi. Mereka ingin mengetahui berapa banyak warna super-hitam di sayap kupu-kupu yang memanifestasikan dirinya di sepanjang jalur evolusi mereka. Dengan cara ini, mereka akan dapat memahami mengapa struktur timbangan yang saat ini diamati menjadi dominan, dan juga apa yang memengaruhi pembentukannya.

Tidak peduli apa yang para ilmuwan temukan di masa depan, pekerjaan mereka telah menjadi konfirmasi lain bahwa alam masih memiliki sesuatu yang mengejutkan kita.

Jumat off-top:

« » «».

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan, semuanya! :)

Sedikit iklan :)

Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?