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Asas que absorvem luz: o segredo das borboletas super pretas



“As margens brancas e além delas as distantes colinas verdes sob o sol nascente” é uma das descrições mais famosas da “continuação da jornada” expressa por Gandalf no filme “O Senhor dos Anéis”. Se descartarmos o subtexto filosófico, essa imagem parecerá banal para alguns e incrivelmente bonita para alguns. Aqui, como dizem, cada um na sua, pois a beleza está nos olhos de quem vê. Não importa o que uma pessoa goste de admirar, seja um pôr-do-sol ou uma superfície do mar, a física desses objetos de prazer estético permanece imutável. Diferentes materiais interagem com a luz de diferentes maneiras, o que gera uma variação tão ampla no espectro de cores. Mas existem materiais que praticamente não refletem a luz, absorvendo a maior parte dela. Dos materiais sintéticos, vale destacar o Vantablack, que absorve até 99,965% da radiação. Então, cientistas da Duke University descobriramque as asas de alguns tipos de borboletas têm características bastante comparáveis, sendo várias vezes mais finas do que qualquer uma das substâncias criadas pelo homem. Quão negras são as asas das borboletas, por que absorvem a radiação e como essas descobertas podem ser colocadas em prática? Um relatório de cientistas nos dirá sobre isso. Vai.

Base de estudo


Quando se trata de criar um material “super preto” que absorve quase toda a radiação, o foco principal não é nos produtos químicos, mas na arquitetura interna. Assim, por exemplo, o Vantablack é feito de nanotubos de carbono alinhados verticalmente. No entanto, esse material é extremamente frágil, o que limita bastante o alcance de sua aplicação.


Um pequeno vídeo sobre o Vantablack.

Ao contrário dos materiais sintéticos, que possuem alto coeficiente de absorção e, consequentemente, baixo coeficiente de reflexão, existem naturais (carvão, fuligem, platina preta, etc.).

Se falamos de coisas vivas, e não de minerais diferentes, então aqui a natureza também não passa por trás. Em algumas espécies de aranhas, pássaros e borboletas, a cor é comparável em propriedades ao Vantablack.

Portanto, a refletividade das asas das borboletas da família Papilionidae é de 0,2%, devido à sua estrutura polidispersa em favo de mel. E aqui surge a pergunta - todas as espécies da família Papilionidae têm a mesma estrutura de asa?


Pachliopta kotzebuea é uma espécie de borboletas da família Papilionidae.

As asas de borboleta, apesar de sua fragilidade, são bastante complexas em sua estrutura, e essa é uma tendência inerente a todas as espécies de todas as famílias. O ponto principal é que essa estrutura pode diferir e fornecer a implementação de vários processos físicos.

Um exame detalhado da asa de borboleta Papilionidae nos permite ver que a absorção de radiação se deve a duas camadas de escalas microscópicas, cujo tamanho às vezes não excede 2,5 mícrons. Uma placa com um padrão na forma de uma estrutura de favo de mel que consiste em nervuras transversais que conectam as bordas está localizada na parte superior da balança.


Flocos de asas de borboleta, como exemplificado pela espécie Gonepteryx cleopatra (capim-limão Clematra).

De acordo com os cientistas, é devido um grande interesse pelas borboletas no aspecto de estudar materiais ultra-negros por várias razões: as borboletas têm vários tipos diferentes de flocos de especialização, incluindo refletores multicamadas e filmes finos; as escamas são muitas vezes mais finas que outros materiais naturais ultra-negros e análogos sintéticos; Os flocos são leves e duráveis ​​o suficiente para permitir o vôo.

Estudos anteriores mostraram que orifícios em nanoescala (240 nm) na placa superior dos flocos permitem que a luz penetre no interior dos flocos, onde é absorvida pela melanina, que se liga à quitina na cutícula. Verificou-se também que essas placas absorvem mais luz do que as placas sem orifícios. Mas ainda não foi possível determinar com precisão o objetivo das nervuras estruturais que restringem esses orifícios. Alguns cientistas acreditam que essa estrutura fornece um aumento na absorção de luz devido à direção da luz no buraco.

No estudo que estamos considerando hoje, os cientistas decidiram examinar essas escalas misteriosas com mais detalhes, a fim de descrever com mais precisão tanto sua estrutura quanto suas propriedades de absorção de luz. Para isso, foram utilizadas espectrofotometria, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e modelagem por diferença de tempo finita no domínio do tempo.

Os resultados preliminares são de que, apesar das diferenças significativas no tamanho e na forma dos nanotubos, todas as escamas ultra pretas têm bordas íngremes e trabéculas, que são muito mais profundas e amplas do que as escamas pretas ou marrons comuns. A modelagem óptica confirmou que essas características estruturais são essenciais para um baixo coeficiente de reflexão e que a remoção de qualquer uma delas aumenta acentuadamente o coeficiente de reflexão em mais de uma ordem de magnitude. Também é aparente que essa estrutura de flocos aumenta a área de absorção de luz. Em uma tentativa de explicar a aplicação prática de asas ultra-pretas, os cientistas propuseram uma teoria: como todas as borboletas têm seções super-pretas da asa que sempre fazem fronteira com áreas de uma cor diferente (branco, vermelho etc.), isso pode ser necessário para aumentar o brilho percebido e a saturação da cor,o que é aplicado na comunicação interespecífica e intraespecífica.

Resultados da pesquisa


Para estudar a diversidade potencial das nanoestruturas subjacentes à cor super preta das borboletas, os cientistas selecionaram 10 espécies de borboletas de quatro subfamílias: Papilioninae , Biblidinae , Danainae e Heliconinae . Borboletas de cores marrom e preto comum também foram selecionadas como um grupo controle.


Imagem nº 1: refletividade de diferentes grupos de borboletas, dependendo do comprimento de onda da radiação.

Em todas as borboletas do grupo super-preto, a refletividade foi de 0,06% a 0,4% com luz incidente perpendicular (500 nm). Nas borboletas do grupo controle, esse parâmetro variou de 1 a 3%.


Imagem nº 2: diversidade morfológica da estrutura de escamas da asa de borboletas do grupo super preto.

Os materiais ultra-negros dependem da absorção do pigmento incorporado em uma estrutura complexa. Primeiro, foi feita uma avaliação da estrutura de 11 borboletas (7 superblack, 4 controle) usando MEV. Em todas as borboletas, os flocos apresentavam uma camada superior perfurada com orifícios quase-periódicos. Houve diferenças significativas na forma e no tamanho dos furos: na forma de uma divisa em Eunica chlorocroa ; aberturas retangulares (500x330 nm) para Catonephele antinoe , Catonephele numilia e Heliconius doris ; aberturas retangulares (750x500 nm) para Euploea Dufresne e Euploea Klugi .

Vale ressaltar que nenhuma das borboletas ninfálidas (subfamílias Biblidinae , Danainae e Heliconinae ) possuía uma estrutura alveolar semelhante à encontrada nos papilionídeos (família Papilionidae ).

A ausência de uma estrutura alveolar combinada com uma variedade de tamanho e forma dos orifícios sugere que a capacidade de absorção de luz das borboletas não depende da forma ou tamanho específico dos orifícios. No entanto, algumas das mudanças individuais na forma do buraco provavelmente ajudam a aumentar a absorção em ângulos anormais de incidência de luz.


Uma variedade de formas e tamanhos de nanotubos por espécie entre borboletas ultra-pretas: 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 ().

Duas características estruturais comuns foram encontradas em todas as amostras de borboletas super pretas: bordas íngremes e trabéculas duráveis ​​conectando as placas superior e inferior. Nas amostras do grupo controle, as aberturas eram muito maiores e as trabéculas eram muito menores ou completamente ausentes.


As trabéculas (destacadas em vermelho) nos machos de espécies super-pretas de borboletas são maiores que nas fêmeas do grupo controle: A - Trogonoptera brookiana (fêmea); B - Trogonoptera brookiana (macho); C - Catonephele numilia (fêmea); D - Catonephele numilia (masculino).

Essas diferenças indicam diretamente a importância das características estruturais reveladas para obter uma baixa refletividade das asas.



É curioso que as asas de borboletas ultra-pretas, onde foram encontrados nano buracos e grandes trabéculas, mesmo depois de cobri-las com ouro (para a realização de estudos REM) ainda mantivessem sua cor preta (foto acima).

As observações possibilitaram a obtenção de dados valiosos utilizados na simulação: foi avaliada a contribuição das características geométricas identificadas da asa de borboleta para a formação da refletividade.

Como o floco da asa pode ter baixa refletividade e até ser transparente (como mariposas), a refletividade foi calculada em dois flocos sobrepostos, sobre uma superfície 100% branca.

Utilizando o método da diferença de tempo finito, a refletividade de uma estrutura com aberturas retangulares de 500x330 nm foi modelada para uma borboleta da espécie C. antinoe (a mais negra de todas as espécies estudadas).

Em seguida, uma simulação semelhante foi realizada, mas com costelas removidas, trabéculas ou placas basais. Como resultado, um modelo de floco de asa de borboleta foi obtido com uma refletância na faixa de 0,4 a 1,0% em toda a parte visível do espectro.


Imagem No. 3: resultados da simulação. Designações de cores: azul - um modelo de escala completa; flocos vermelhos com trabéculas removidas; lasca amarela com costelas removidas; Tolet- com placas basais removidas; marrom - com trabéculas e costelas removidas; verde - um bloco retangular com o mesmo volume de material absorvente que em um floco convencional.

Esse indicador foi 14 a 40 vezes menor do que no caso da modelagem, usando duas placas planas sobrepostas do mesmo material absorvente que os flocos.

Ou seja, a remoção das nervuras ou de toda a estrutura interna do floco levou a um aumento na refletância de 3 a 16 vezes. Se você remover um volume comparável de material refletivo sem tocar na geometria do próprio floco, a refletividade aumentará apenas duas vezes. Quanto à remoção das placas basais, as alterações nesse indicador foram extremamente insignificantes.

Em seguida, decidiu-se considerar a contribuição da geometria para a formação da refletividade sem a participação do material absorvente. Para isso, foram modeladas escalas com costelas e trabéculas transparentes.

Este teste mostrou que apenas as arestas da estrutura de flocos reduzem a refletividade em 14-58% em comparação com os flocos nos quais não há arestas. As trabéculas, no entanto, reduzem a refletividade em 5-70%, em comparação com os flocos onde eles não são de todo.


Imagem nº 4: comparação da refletividade de flocos sem trabéculas e com trabéculas transparentes (esquerda); comparação da refletividade de flocos sem arestas e com arestas transparentes (direita).

Após analisar a geometria, os cientistas começaram a analisar o pigmento da melanina, a fim de descobrir a importância de suas propriedades ópticas na formação da refletividade geral da asa de borboleta. A melanina tem um índice de refração real ( n ) e imaginário ( k ) invulgarmente alto para ambos os materiais biológicos.

Usando características morfológicas da estrutura dos flocos, a refletividade foi simulada a 550 nm usando 99 combinações únicas das partes real e imaginária do índice de refração. A parte real medida do índice de refração foi de n = 1,33 (água) até n = 1,8 (melanina), e a parte imaginária de k = 0,0 (sem absorção) a k = 0,20.


Imagem nº 5: a refletividade é determinada principalmente pela parte imaginária do índice de refração.

Sem absorção, a refletividade de dois flocos localizados em um fundo branco se aproxima de 100%, mas em k = 0,06 começa a diminuir em 1%. O efeito do índice de refração real domina a ação do imaginário até k > 0,06. Para um floco com uma parte imaginária alta ( k > 0,10), a situação muda e a parte real do índice de refração se torna responsável pelo aumento da refletividade. Por exemplo, quando k = 0,15, a refletividade em n = 1,33 é 88% menor que em n = 1,8. Quando 0,06 < k<0,10, a refletância depende dos dois componentes do índice de refração.

Isso sugere que, para alcançar a refletividade observada nas borboletas ultra-negras, a melanina não é necessária, apenas o material absorvente é necessário (idealmente, o material com a parte real do índice de refração é menor que o da melanina).

Para uma familiarização mais detalhada com as nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo


Este estudo mostrou que as borboletas de algumas espécies têm estruturas únicas em nanoescala em suas asas, o que fornece uma refletividade de não mais que 0,06% da radiação em um ângulo de 90 °.

Verificou-se que, entre os flocos que cobrem as asas das borboletas, existem trabéculas que aumentam a área da superfície para absorver a radiação da melanina cuticular.

Assim, essa estrutura super-preta é comparável à estrutura sintética, exceto pelo fato de ter apenas 1/5 de sua espessura. Portanto, se tomarmos as asas das borboletas como base, podemos tentar recriar um certo análogo sintético que terá refletividade semelhante e seja igualmente fino, mas forte.

Segundo os próprios pesquisadores, seu trabalho é de grande interesse não apenas para engenheiros e nanotecnologistas, mas também para zoólogos (em particular, lepidopterologistas que estudam borboletas), pois ainda não está claro por que as borboletas são tão complexas. Talvez uma cor tão incomum seja necessária para atrair a atenção de um parceiro ou para espantar predadores, ainda não há uma resposta exata. Os cientistas também pretendem continuar suas pesquisas, concentrando-se no componente evolutivo. Eles querem descobrir quanta cor super-negra nas asas das borboletas se manifestou ao longo de seu caminho evolutivo. Dessa forma, eles serão capazes de entender por que é a estrutura atualmente observada das escalas que se tornou dominante e também o que influenciou sua formação.

Não importa o que os cientistas descubram no futuro, seu trabalho se tornou mais uma confirmação de que a natureza ainda tem algo para nos surpreender.

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Obrigado pela atenção, fique curioso e tenha um ótimo final de semana a todos, pessoal! :)

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