Na foto está uma cigarrinha G. serpenta. Lin Wang et al. estudou os desenhos geométricos dos revestimentos superficiais dos corpos das cigarrinhas. As cigarrinhas produzem brocossomos para revestir as superfícies de seus corpos, que são esferóides ocos, nanoscópicos, em forma de buckyball, com orifícios distribuídos por suas superfícies. Os autores descobriram que os orifícios dessas fulerenos ocos desempenham um papel importante na redução do reflexo da luz. Este é o primeiro exemplo biológico que mostra a funcionalidade anti-reflexo de passagem baixa e comprimento de onda curto, possibilitada por orifícios passantes e estruturas ocas. Crédito: Lin Wang e Tak-Sing Wong/Penn State
As cigarrinhas, um inseto comum de quintal, secretam e se revestem de minúsculas partículas misteriosas que podem fornecer inspiração e instruções para a tecnologia da próxima geração, de acordo com um novo estudo liderado por pesquisadores da Penn State. Pela primeira vez, a equipe replicou com precisão a geometria complexa dessas partículas, chamadas brocossomos, e elucidou uma melhor compreensão de como elas absorvem a luz visível e ultravioleta.
Isso poderia permitir o desenvolvimento de materiais ópticos bioinspirados com possíveis aplicações que vão desde dispositivos de camuflagem invisíveis até revestimentos para coletar energia solar de forma mais eficiente, disse Tak-Sing Wong, professor de engenharia mecânica e engenharia biomédica. Wong liderou o estudo, que foi publicado hoje (18 de março) no Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América (PNAS).
O mistério dos brocossomos revelado
As minúsculas partículas únicas têm uma geometria incomum, semelhante a uma bola de futebol, com cavidades, e sua finalidade exata para os insetos tem sido um mistério para os cientistas desde a década de 1950. Em 2017, Wong liderou a equipe de pesquisa da Penn State que foi a primeira a criar uma versão básica e sintética dos brocossomos, em um esforço para compreender melhor sua função.
Na foto estão brocossomos produzidos pela cigarrinha G. serpenta. Os brocossomos são esferóides ocos, nanoscópicos, em forma de buckyball, com orifícios distribuídos pelas superfícies do corpo das cigarrinhas. Lin Wang et al. estudou a relação entre as propriedades ópticas e os desenhos geométricos dos brocossomos. Os autores descobriram que os orifícios dessas fulerenos ocos desempenham um papel importante na redução do reflexo da luz. Este é o primeiro exemplo biológico que mostra a funcionalidade anti-reflexo de passagem baixa e comprimento de onda curto, possibilitada por orifícios passantes e estruturas ocas. Crédito: Lin Wang e Tak-Sing Wong/Penn State
“Esta descoberta pode ser muito útil para a inovação tecnológica”, disse Lin Wang, pós-doutorado em engenharia mecânica e principal autor do estudo. “Com uma nova estratégia para regular o reflexo da luz numa superfície, poderemos ser capazes de ocultar as assinaturas térmicas de humanos ou máquinas. Talvez algum dia as pessoas possam desenvolver uma capa de invisibilidade térmica baseada nos truques usados pelas cigarrinhas. Nosso trabalho mostra como a compreensão da natureza pode nos ajudar a desenvolver tecnologias modernas.”
Wang continuou explicando que, embora os cientistas conheçam as partículas de brocossoma há três quartos de século, produzi-las em laboratório tem sido um desafio devido à complexidade da geometria da partícula.
Compreendendo e replicando brocossomos
“Não está claro por que as cigarrinhas produzem partículas com estruturas tão complexas”, disse Wang, “Conseguimos fazer esses brocosomas usando um método de impressão 3D de alta tecnologia em laboratório. Descobrimos que essas partículas feitas em laboratório podem reduzir o reflexo da luz em até 94%. Esta é uma grande descoberta porque é a primeira vez que vemos a natureza fazer algo assim, onde controla a luz de uma forma tão específica usando partículas ocas.”
As teorias sobre por que as cigarrinhas se revestem com uma armadura brocossômica variam desde mantê-las livres de contaminantes e água até uma capa de invisibilidade semelhante a um super-herói. No entanto, uma nova compreensão da sua geometria levanta uma forte possibilidade de que o seu principal objectivo possa ser o manto para evitar predadores, de acordo com Tak-Sing Wong, professor de engenharia mecânica e engenharia biomédica e autor correspondente do estudo.
Na foto está uma série de brocossomas sintéticos em microescala impressos em 3D. Na natureza, as cigarrinhas produzem brocossomos para revestir a superfície do corpo, que são esferóides ocos, nanoscópicos, em forma de buckyball, com orifícios distribuídos por toda a superfície. Lin Wang et al. estudou a relação entre as propriedades ópticas e os desenhos geométricos dos brocossomos utilizando brocossomos sintéticos impressos em 3D. Os autores descobriram que os orifícios dessas fulerenos ocos desempenham um papel importante na redução do reflexo da luz. Este é o primeiro exemplo biológico que mostra a funcionalidade anti-reflexo de passagem baixa e comprimento de onda curto, possibilitada por orifícios passantes e estruturas ocas. Crédito: Lin Wang e Tak-Sing Wong/Penn State
Os pesquisadores descobriram que o tamanho dos buracos no brocossomo que lhe conferem uma aparência oca, semelhante a uma bola de futebol, é extremamente importante. O tamanho é consistente em toda a cigarrinha espécies, não importa o tamanho do corpo do inseto. Os brocossomas têm aproximadamente 600 nanômetros de diâmetro – cerca de metade do tamanho de uma única bactéria – e os poros dos brocossomas têm cerca de 200 nanômetros.
“Isso nos faz fazer uma pergunta”, disse Wong. “Por que essa consistência? Qual é o segredo de ter brocossomos de cerca de 600 nanômetros com poros de cerca de 200 nanômetros? Isso serve a algum propósito?
Aplicações potenciais e direções futuras
Os investigadores descobriram que o design único dos brocosomas serve um duplo propósito – absorver a luz ultravioleta (UV), que reduz a visibilidade para predadores com visão UV, como aves e répteis, e espalhar a luz visível, criando um escudo anti-reflexo contra ameaças potenciais. O tamanho dos furos é perfeito para absorver luz na frequência ultravioleta.
Isto poderia potencialmente levar a uma variedade de aplicações para humanos que utilizam brocossomas sintéticos, tais como sistemas mais eficientes de captação de energia solar, revestimentos que protegem produtos farmacêuticos contra danos induzidos pela luz, filtros solares avançados para melhor proteção da pele contra danos solares e até mesmo dispositivos de camuflagem, disseram os pesquisadores. . Para testar isto, a equipa teve primeiro de fabricar brocossomas sintéticos, um grande desafio por si só.
No seu estudo de 2017, os investigadores imitaram algumas características dos brocossomas, particularmente as covinhas e a sua distribuição, utilizando materiais sintéticos. Isso permitiu que eles começassem a compreender as propriedades ópticas. No entanto, eles só conseguiram fazer algo parecido com brocossomos, e não uma réplica exata.
“Esta é a primeira vez que conseguimos fazer a geometria exata do brocossoma natural”, disse Wong, explicando que os investigadores conseguiram criar réplicas sintéticas em escala das estruturas dos brocossomas utilizando tecnologia avançada de impressão 3D.
Eles imprimiram uma versão ampliada com 20.000 nanômetros de tamanho, ou aproximadamente um quinto do diâmetro de um fio de cabelo humano. Os pesquisadores replicaram com precisão a forma e a morfologia, bem como o número e a localização dos poros usando impressão 3D, para produzir brocosomas falsos ainda pequenos, grandes o suficiente para serem caracterizados opticamente.
Eles usaram um espectrômetro infravermelho com transformada Micro-Fourier (FTIR) para examinar como os brocossomos interagiam com a luz infravermelha de diferentes comprimentos de onda, ajudando os pesquisadores a entender como as estruturas manipulam a luz.
Em seguida, os pesquisadores disseram que planejam melhorar a fabricação de brocossomas sintéticos para permitir a produção em uma escala mais próxima do tamanho dos brocosomas naturais. Eles também explorarão aplicações adicionais para brocossomas sintéticos, como a criptografia de informações, onde estruturas semelhantes a brocossomas poderiam ser usadas como parte de um sistema de criptografia onde os dados só são visíveis sob certos comprimentos de onda de luz.
Wang observou que seu trabalho com brocossoma demonstra o valor de uma abordagem de pesquisa biomimética, onde os cientistas buscam inspiração na natureza.
“A natureza tem sido uma boa professora para os cientistas desenvolverem novos materiais avançados”, disse Wang. “Neste estudo, focamos apenas em uma espécie de inseto, mas existem muitos outros insetos incríveis por aí que estão aguardando o estudo dos cientistas de materiais, e eles podem nos ajudar a resolver vários problemas de engenharia. Eles não são apenas insetos; eles são inspirações.”
Referência: “Desenho geométrico de brocossomos de cigarrinha anti-reflexos” por Lin Wang, Zhuo Li, Sheng Shen e Tak-Sing Wong, 18 de março de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2312700121
Junto com Wong e Wang da Penn State, outros pesquisadores do estudo incluem Sheng Shen, professor de engenharia mecânica, e Zhuo Li, doutorando em engenharia mecânica, ambos na Universidade Carnegie Mellon, que contribuíram para as simulações neste estudo. Wang e Li contribuíram igualmente para este trabalho, para o qual os investigadores registaram uma patente provisória nos EUA. O Office of Naval Research apoiou esta pesquisa.
