Бабочки умудрились создать свои крылья из ультра-черных и сверхлегких материалов

Москва, 09:26, 11 Мар 2020, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

У некоторых бабочек есть ультра-черные крылья, которые конкурируют с самыми черными материалами, изготовленными людьми.

«Некоторые животные довели черное до крайности», — сказал Алекс Дэвис, аспирант лаборатории биологии Университета Дьюка.

Бабочки, которых ученые мужи изучают, в 10-100 раз темнее древесного угля, свежего асфальта, черного бархата и других повседневных черных предметов. Всего лишь 0,06% падающего на них света отражается обратно в глаз. Это приближается к самым черным покрытиям, созданными людьми, чтобы помочь солнечным батареям поглощать больше энергии от солнца, или телескопам, чтобы уменьшить рассеянный свет.

Тем не менее, бабочки достигают этого эффекта захвата света, используя крылья, которые имеют толщину всего несколько микрон.

В исследовании, опубликованном 10 марта в журнале Nature Communications, исследователи сообщают, что ультра-черные бабочки из разрозненных регионов земного шара, похоже, сошлись на одной и той же уловке. По их словам, секрет того, как сделать черные крылья такими легкими, заключается вовсе не в избытке меланина — пигмента, отвечающем за черные вороньи перья или шерсть черной кошки. Это оптическая иллюзия, созданная трехмерной структурой чешуек крыльев бабочек.

Свет проникает в их чешуйки, но очень мало его отскакивает.

Ход исследования

В исследовании ученые использовали сканирующую электронную микроскопию высокого разрешения и компьютерное моделирование, чтобы исследовать микроскопические структуры на крыльях 10 видов ультра-черных бабочек и четырех обычных черных или темно-коричневых бабочек из Центральной и Южной Америки, и Азии.

Крылья бабочки могут выглядеть гладкими невооруженным глазом. Вблизи это другая история. Увеличенные в тысячи раз крылья бабочки покрыты чешуей с сетчатой ​​поверхностью ребер и отверстий, которые направляют свет в губчатую внутренность чешуек. Там, вертикальные «столбы» ткани рассеивают свет, пока он не будет почти полностью поглощен.

До недавнего времени объяснение невероятных светопоглощающих свойств некоторых черных бабочек заключалось в том, что это происходило из-за ячеистого рисунка в крошечных отверстиях на поверхности чешуек.

Но новое исследование предполагает, что это не имеет значения. Глядя на бабочек из четырех подсемейств — самый широкий спектр ультра-черных бабочек, которые были исследованы до настоящего времени — команда ученых обнаружила, что другие ультра-черные бабочки поглощают одинаковое количество света, используя отверстия самых различных форм и размеров.

Оказывается, ключевые различия между ультра-черной и обычной черной шкалой лежат в другом. Когда на крылья бабочек посмотрели под электронным микроскопом, обнаружилось, что как ультра-черная, так и обычная черная чешуя имеют параллельные «гребни» на своей поверхности и «столбы» внутри. Но «гребни» и «столбы» глубже и толще в ультра-черных чешуйках по сравнению с нормальными черными чешуйками.

Когда команда имитировала разные чешуйки крыльев в компьютерных симуляциях, чешуйки без ребристой поверхности или внутренних столбов отражали в 16 раз больше света. Это было бы похоже на переход от ультра-черного к темно-коричневому.

Эта трехмерная архитектура настолько хороша для поглощения света, что ультра-черные чешуйки выглядели черными даже при покрытии золотом.

Выводы

Подобный глубокий черный цвет был обнаружены у других животных, таких как пауки-павлины и райские птицы, которые, как известно, отражают всего лишь 0,05% видимого света.

Ни одна из этих натуральных красот не является такой же черной, как самые черные синтетические чернила, которые поглощают более 99,99% входящего света, используя плотно упакованные «леса» углеродных нанотрубок высотой от 10 до 50 микрон. Но то, что делает бабочек интересными, говорят исследователи, это то, что они конкурируют с лучшими улавливающими свет нанотехнологиями, используя тончайшие структуры.

В конечном счете, полученные данные могут помочь инженерам разработать более тонкие ультра-черные покрытия, которые уменьшают рассеянный свет, не утяжеляя предметы, для применений, начиная от военного камуфляжа, совершенно невидимого ночью, до телескопов, нацеленных на слабые, далекие звезды.

Кстати, чернота на крыльях многих самцов бабочек темнее, чем на их женских особях.