Раскрытие секретов надкрылий жужелицы

Яркие цвета многих существ в природе возникают из-за их структуры на микро- или даже наноскопическом уровне. Хороший пример — металлическая окраска некоторых жуков. Исследователи уделяют всё больше внимания пониманию причин таких эффектов, чтобы воссоздать эти свойства в так называемых биомиметических материалах. Команда из Университета Цукубы детально изучила жужелицу, чтобы понять, чему можно научиться у её микро/наноструктуры. Результаты опубликованы в журнале Micron.

Природа даёт нам тысячи примеров эффективных материалов, уже настроенных на проявление широкого спектра свойств — от цвета до прочности. Поэтому исследователям имеет смысл изучать реальные образцы для вдохновения, а не начинать с чистого листа.

Бросающиеся в глаза оптические эффекты некоторых видов бабочек и жуков, таких как жужелица, — отличные примеры так называемой фотонной структуры. Эти эффекты — результат микроскопических регулярных узоров в структуре, и ожидается, что они найдут интересное применение в материаловедении.

Исследователи использовали три различных метода — поляризационную оптическую микроскопию (POM), сканирующую электронную микроскопию (SEM) и синхротронную рентгеновскую дифракцию (XRD), — чтобы детально рассмотреть экзоскелет жужелицы.

«Наши наблюдения POM, где мы одновременно использовали проходящий и отражённый свет, выявили особый эффект, известный как мальтийский крест, во внутреннем слое надкрылья, — объясняет ведущий автор исследования профессор Хиромаса Гото. — Крошечный крестообразный узор, повторяющийся множество раз, указывал на то, что белковая структура внутри надкрылья имеет холестерическую жидкокристаллическую спиральную структуру».

Структуры, обеспечивающие эти оптические эффекты, также складываются в стопки, придавая высокую механическую прочность — ещё одно полезное свойство, которое можно перенести на функциональные материалы в будущем.

Наблюдения SEM показали, что экзоскелет имеет слоистую структуру с правильным шестиугольным узором на верхнем слое и игольчатыми структурами на нижней стороне. Синхротронная XRD подтвердила выводы POM и SEM, показав наличие спирального среднего слоя, а также шестиугольных и игольчатых поверхностей.

«Это первый раз, когда такое конкретное расположение мальтийских крестов наблюдалось у насекомых, — говорит профессор Гото. — Мы надеемся, что это новое понимание внесёт вклад в разработку различных биомиметических материалов с улучшенными характеристиками на основе природных явлений».