בתמונה עלים ג'י סרפנטה. לין וואנג וחב'. חקר את העיצובים הגיאומטריים של ציפוי פני השטח על גופי עלים. עלים מייצרים ברוקוזומים כדי לצפות את משטחי גופם, שהם כדוריות חלולים, ננוסקופיים, בצורת כדור בקי עם חורים חוצים מפוזרים על פני המשטחים שלהם. המחברים מצאו שהחורים החוזרים של כדורי בקי חלולים אלו ממלאים תפקיד חשוב בהפחתת החזרת האור. זוהי הדוגמה הביולוגית הראשונה המציגה פונקציונליות אנטי-השתקפות באורך גל קצר ומעבר נמוך המתאפשרת על ידי חורים מבפנים ומבנים חלולים. קרדיט: לין וואנג וטאק-סינג וונג/פן סטייט
עלים, חרק נפוץ בחצר האחורית, מפרישים ומצפים את עצמם בחלקיקים מסתוריים זעירים שיכולים לספק גם את ההשראה וגם את ההנחיות לטכנולוגיה של הדור הבא, כך עולה ממחקר חדש בראשות חוקרי פן סטייט. לראשונה, הצוות שיחזר במדויק את הגיאומטריה המורכבת של חלקיקים אלה, הנקראים ברוקוזומים, והבהיר הבנה טובה יותר של האופן שבו הם סופגים אור גלוי ואולטרה סגול כאחד.
זה יכול לאפשר פיתוח של חומרים אופטיים בעלי השראה ביולוגית עם יישומים אפשריים החל ממכשירי הסוואה בלתי נראים לציפויים לקציר יעיל יותר של אנרגיה סולארית, אמר טאק-סינג וונג, פרופסור להנדסת מכונות והנדסה ביו-רפואית. וונג הוביל את המחקר, שפורסם היום (18 במרץ) ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית של אמריקה (PNAS).
תעלומת הברוכוזומים נחשפה
לחלקיקים הייחודיים והזעירים יש גיאומטריה יוצאת דופן דמוית כדור כדורגל עם חללים, והמטרה המדויקת שלהם לחרקים הייתה בגדר תעלומה למדענים מאז שנות ה-50. בשנת 2017, וונג הוביל את צוות המחקר של פן סטייט שהיה הראשון שיצר גרסה בסיסית וסינטטית של ברוקוזומים במאמץ להבין טוב יותר את תפקידם.
בתמונה נראים ברוכוזומים המיוצרים על ידי עלים ג'י סרפנטה. ברוכוזומים הם כדוריות חלולות, ננוסקופיות, בצורת כדור בקי, עם חורים חוצים המפוזרים על פני משטחי גופם של עלים. לין וואנג וחב'. חקר את הקשר בין המאפיינים האופטיים והעיצובים הגיאומטריים של הברוכוזומים. המחברים מצאו שהחורים החוזרים של כדורי בקי חלולים אלו ממלאים תפקיד חשוב בהפחתת החזרת האור. זוהי הדוגמה הביולוגית הראשונה המציגה פונקציונליות אנטי-השתקפות באורך גל קצר ומעבר נמוך המתאפשרת על ידי חורים מבפנים ומבנים חלולים. קרדיט: לין וואנג וטאק-סינג וונג/פן סטייט
"תגלית זו יכולה להיות שימושית מאוד לחדשנות טכנולוגית", אמר לין וואנג, פוסט-דוקטורט בהנדסת מכונות והמחבר הראשי של המחקר. "עם אסטרטגיה חדשה לוויסות השתקפות האור על פני השטח, אולי נוכל להסתיר את החתימות התרמיות של בני אדם או מכונות. אולי יום אחד אנשים יוכלו לפתח גלימת אי-נראות תרמית המבוססת על הטריקים שבהם השתמשו עלים. העבודה שלנו מראה כיצד הבנת הטבע יכולה לעזור לנו לפתח טכנולוגיות מודרניות".
וואנג המשיך והסביר שלמרות שמדענים יודעים על חלקיקי ברוכוזום כבר שלושת רבעי מאה, הכנתם במעבדה הייתה אתגר בשל המורכבות של הגיאומטריה של החלקיק.
הבנה ושכפול של ברוכוזומים
"לא היה ברור מדוע מדליקי העלים מייצרים חלקיקים בעלי מבנים כה מורכבים", אמר וואנג, "הצלחנו לייצר את הברוכוזומים הללו בשיטת היי-טק של הדפסת תלת מימד במעבדה. מצאנו שחלקיקים אלה מתוצרת מעבדה יכולים להפחית את החזר האור בעד 94%. זו תגלית גדולה כי זו הפעם הראשונה שראינו את הטבע עושה דבר כזה, שבו הוא שולט באור בצורה כל כך ספציפית באמצעות חלקיקים חלולים".
התיאוריות על מדוע עלים מצפים את עצמם בשריון ברוכוזום נעו בין השארתם נקיים ממזהמים ומים ועד גלימת אי-נראות דמוית גיבור-על. עם זאת, הבנה חדשה של הגיאומטריה שלהם מעלה אפשרות חזקה שהמטרה העיקרית שלה יכולה להיות הגלימה כדי להימנע מטורפים, לפי טאק-סינג וונג, פרופסור להנדסת מכונות והנדסה ביו-רפואית ומחבר מקביל של המחקר.
בתמונה הוא מערך של ברוקוזום סינתטי מודפס בתלת-ממד. בטבע, עלים מייצרים ברוקוזומים לציפוי משטחי גופם, שהם כדוריות חלולות, ננוסקופיות, בצורת כדור בקי, עם חורים חודרים מפוזרים על פני השטח שלהם. לין וואנג וחב'. חקר את הקשר בין המאפיינים האופטיים והעיצובים הגיאומטריים של הברוקוזומים תוך שימוש בברוכוזומים סינתטיים מודפסים בתלת מימד. המחברים מצאו שהחורים החוזרים של כדורי בקי חלולים אלו ממלאים תפקיד חשוב בהפחתת החזרת האור. זוהי הדוגמה הביולוגית הראשונה המציגה פונקציונליות אנטי-השתקפות באורך גל קצר ומעבר נמוך המתאפשרת על ידי חורים מבפנים ומבנים חלולים. קרדיט: לין וואנג וטאק-סינג וונג/פן סטייט
החוקרים מצאו כי גודל החורים בברוכוזום המעניקים לו מראה חלול דמוי כדור כדורגל חשוב ביותר. הגודל עקבי על פני עלים מִין, לא משנה גודל גופו של החרק. הקוטר של הברוכוזומים הוא בערך 600 ננומטר – בערך מחצית מגודלו של חיידק בודד – ונקבוביות הברוכוזום הן בסביבות 200 ננומטר.
"זה גורם לנו לשאול שאלה," אמר וונג. "למה העקביות הזו? מה הסוד של ברוכוזומים של כ-600 ננומטר עם נקבוביות של כ-200 ננומטר? האם זה משרת מטרה כלשהי?"
יישומים פוטנציאליים וכיוונים עתידיים
החוקרים גילו שהעיצוב הייחודי של ברוקוזומים משרת מטרה כפולה – קליטת אור אולטרה סגול (UV), אשר מפחית את הראות לטורפים עם ראיית UV, כגון ציפורים וזוחלים, ופיזור אור נראה, יצירת מגן אנטי-רפלקטיבי מפני איומים פוטנציאליים. גודל החורים מושלם לקליטת אור בתדר האולטרה סגול.
זה עשוי להוביל למגוון יישומים עבור בני אדם המשתמשים בברוכוזומים סינתטיים, כמו מערכות יעילות יותר לאיסוף אנרגיה סולארית, ציפויים המגנים על תרופות מנזק שנגרם לאור, מסנני קרינה מתקדמים להגנה טובה יותר על העור מפני נזקי השמש ואפילו מכשירי הסוואה, אמרו חוקרים. . כדי לבחון זאת, הצוות היה צריך לעשות תחילה ברוקוזומים סינתטיים, אתגר גדול בפני עצמו.
במחקרם משנת 2017, החוקרים חיקו כמה מאפיינים של ברוכוזומים, במיוחד את הגומות והפצתם, באמצעות חומרים סינתטיים. זה איפשר להם להתחיל להבין את המאפיינים האופטיים. עם זאת, הם הצליחו ליצור רק משהו שנראה כמו ברוכוזומים, לא העתק מדויק.
"זו הפעם הראשונה שאנו מסוגלים ליצור את הגיאומטריה המדויקת של הברוכוזום הטבעי", אמר וונג, והסביר כי החוקרים הצליחו ליצור העתקים סינתטיים מוקטנים של מבני הברוכוזום על ידי שימוש בטכנולוגיית הדפסה תלת מימדית מתקדמת.
הם הדפיסו גרסה מוקטנת שגודלה היה 20,000 ננומטר, או בערך חמישית מקוטר שערה אנושית. החוקרים שיכפלו במדויק את הצורה והמורפולוגיה, כמו גם את מספר ומיקום הנקבוביות באמצעות הדפסת תלת מימד, כדי לייצר ברושומים מזויפים קטנים שעדיין היו גדולים מספיק כדי לאפיין אופטית.
הם השתמשו בספקטרומטר טרנספורמציה אינפרא אדום (FTIR) של Micro-Fourier כדי לבחון כיצד הברוכוזומים התקשרו עם אור אינפרא אדום באורכי גל שונים, ועזרו לחוקרים להבין כיצד המבנים מפעילים את האור.
לאחר מכן, החוקרים אמרו שהם מתכננים לשפר את ייצור הברוקוזום הסינטטי כדי לאפשר ייצור בקנה מידה קרוב יותר לגודל של ברוקוזומים טבעיים. הם גם יחקרו יישומים נוספים עבור ברוכוזומים סינתטיים, כגון הצפנת מידע, שבהם ניתן להשתמש במבנים דמויי ברוכוזום כחלק ממערכת הצפנה שבה הנתונים נראים רק תחת אורכי גל מסוימים של אור.
וואנג ציין שעבודת הברוכוזום שלהם מדגימה את הערך של גישת מחקר ביו-מימטית, שבה מדענים מסתכלים על הטבע כדי לקבל השראה.
"הטבע היה מורה טוב למדענים לפתח חומרים מתקדמים חדשים", אמר וואנג. "במחקר הזה, התמקדנו זה עתה במין חרקים אחד, אבל יש עוד הרבה חרקים מדהימים בחוץ שמחכים למדעני חומר שיחקרו, ואולי הם יוכלו לעזור לנו לפתור בעיות הנדסיות שונות. הם לא רק באגים; הם מקורות השראה."
יחד עם וונג ו-ואנג מפן סטייט, חוקרים נוספים במחקר כוללים את שנג שן, פרופסור להנדסת מכונות, וג'ו לי, מועמד לדוקטורט בהנדסת מכונות, שניהם באוניברסיטת קרנגי מלון, אשר תרמו לסימולציות במחקר זה. וואנג ולי תרמו באותה מידה לעבודה זו, שעליה הגישו החוקרים פטנט זמני בארה"ב. המשרד לחקר הצי תמך במחקר זה.
