اخبار علمی, مطالب
اسکلت بیرونی سوسک دارای عملکرد نوری و مقاومت مکانیکی است
سوسک ها موجوداتی پوشیده از زره هستند که به عنوان اسکلت های بیرونی شناخته می شوند ، و از بدن نرم و بدون اسکلت آنها در داخل محافظت می کنند. علاوه بر حفاظت بع عنوان زره ، اسکلت بیرونی سوسک عملکردهایی مانند بازخورد حسی و کنترل آبرسانی را نیز ارائه می دهد. قابل ذکر است ، اسکلت بیرونی بسیاری از سوسک ها نیز به طرز درخشان رنگی و دارای طرح هستند که باعث افزایش ارتباط بصری با سایر سوسک ها و ارگانیسم ها می شود.
لینگ لی ، محقق ارشد و استادیار مهندسی مکانیک ، به همکاران شش دانشگاه دیگر پیوسته است تا روابط بین عملکرد مکانیکی و نوری را در اسکلت های بیرونی سوسک بررسی کند. آنها کشف کردند که سازه های پشتیبان کننده مکانیکی نیز بازیگران اصلی در چارچوب نوری هستند. یافته های آنها در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شد.
این تیم دور هم جمع شده اند تا به سوالاتی درباره چگونگی دستیابی مواد مکانیکی و نوری به طور همزمان در عملکردهای مکانیکی و نوری چشمگیر و اینکه کدام عملکرد بر طراحی ساختاری در مقیاس های نانو و میکرومتر تسلط دارد ، پاسخ دهند.
تمرکز آنها به یک گونه خاص محدود شد: سوسک گل. این سوسک کوچک اسکاراب در جنگل های بارانی جنوب شرقی آسیا زندگی می کند و به دلیل نمایش رنگ های درخشان از آبی عمیق تا سبز ، نارنجی و قرمز مشهور است. این پوسته های رنگارنگ از دو لایه اصلی تشکیل شده اند که برای محافظت ، برقراری ارتباط و آبرسانی با یکدیگر ترکیب می شوند.
لی و تیم او تحقیقات خود را در مورد ترکیب پوسته یک سوسک آغاز کردند: لایه بیرونی خارجی آنها شامل یک ریزساختار منحصر به فرد با ضخامت فقط 30/1 میلی متر است. ترکیب آن از لایه های افقی در مقیاس نانو است که در ستون های عمودی میکرو مقیاس قرار داده شده و به طور همزمان از اسکلت خارجی رنگ نوری و مقاومت مکانیکی برخوردار است.
ظاهر نوری سوسک گل از ریزساختار اسکلت خارجی حاصل می شود منطقه نانو لایه از دو ترکیب مواد متناوب تشکیل شده است که به طور انتخابی نور برخی از رنگها را منعکس می کند. این پدیده را رنگ ساختاری یا رنگ فوتونی می نامند.
رنگ ساختاری یک استراتژی معمول برای تولید رنگ آمیزی در طبیعت است ، همانطور که در بال پروانه ، پرهای پرنده و حتی برخی از گیاهان و پوسته نرم تنان دیده می شود. در سال 2015 ، لی و همکارانش کشف کردند که نوعی آهک موجود در اروپا از طریق یک ریزساختار چند لایه مشابه از ماده معدنی کلسیت ، همان ماده موجود در گچ ، رنگ آبی کم رنگ خود را در پوسته های خود ایجاد می کند.
لی توضیح داد ، علاوه بر ایجاد رنگ آمیزی ، پوسته خارجی اسکلت سوسک نیز باید محکم باشد و به آسیب نرسد. سوسک گل از طریق تقویت میکرو ستونهای عمودی پوسته خود به این مهم دست می یابد. با سوراخ شدن ساختار ریز ، میکرو ستونهای پوسته در اطراف محل سوراخ مهر و موم می کنند. این باعث می شود که بال سوسک پاره نشود ، ترک نزند یا از بین برود. میکروپیلارها همچنین می توانند به عقب برگردند ، بنابراین از اندازه سایت آسیب دیده پس از تخلیه توسط جسم ورودی می کاهند.
دانشمندان با دانستن اینکه عملکردهای مکانیکی و نوری به یکدیگر مرتبط هستند ، تلاش کردند کشف کنند که کدام یک از این دو مورد اصلی است. این تیم با همکاری ماتیاس کوله از دانشگاه MIT ، یک برنامه مدل سازی نوری برای شبیه سازی پاسخ نوری ریزساختار سوسک تهیه کردند. آنها دریافتند که وجود ریز ستون ها ، در عین کاهش درجه ای از بازتاب نوری ، قادر به توزیع مجدد نور منعکس شده به یک محدوده زاویه ای بیشتر است. این به توانایی سوسک در “ارسال” سیگنال های نوری به گیرنده های آن کمک می کند.
لی و تیمش پس از درک درستی از مکانیسم های اساسی برای رنگ آمیزی نوری و تقویت مکانیکی ، نحوه تأثیر آرایش و اندازه ریز ستون های اسکلت بیرونی بر هر دو عامل را بررسی کردند.
آنها دریافتند که باید تعادل برقرار شود: لی توضیح داد ، اگر میکرو ستون های زیادی وجود داشته باشد ، مقاومت مکانیکی بهبود می یابد. با این حال ، این باعث کاهش رنگ ساختار می شود ، زیرا درصد سطح چند لایه افقی کاهش می یابد.
آنها دریافتند که اندازه و توزیع ریز ستونها در سوسکهایی با رنگهای مختلف برای دستیابی به کارآمدترین توزیع نور بهینه شده است. به نظر می رسد که بهبود خصوصیات مکانیکی ، به ویژه سختی ، بهینه نشده است ، زیرا ساختار میکرو پوشش ها به طور کامل با میکرو ستون های سفت و محکم پوشیده نشده بود. این نتیجه نشان داد که عملکرد نوری در طول تکامل این ساختار چند لایه عجیب و غریب ، بر عملکرد مکانیکی اولویت دارد.
