Чтобы сделать ультра-черные легкие материалы, подумайте о бабочке

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 Университета Дьюка.

Бабочки, которых они 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, что приближается к самым черным покрытиям, сделанными людьми. Примечательно то, что они достигают этого эффекта захвата света, используя крылья глубинной всего в несколько микрон.

В исследовании, опубликованном 10 марта 2020 в журнале Nature Communications, исследователи Университета Дьюка сообщают, что ультра-черные бабочки из разрозненных регионов земного шара, похоже, сошлись на одной и той же уловке. Говорят, секрет их черных крыльев не в избытке меланина – пигмента, ответственном за перья вороны или мех черной кошки.

В исследовании Дэвис, Джонсен и профессор Фред Ниджоут 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.

Крылья бабочки могут выглядеть невооруженным глазом гладкими. Вблизи это не так. Увеличенные в тысячи раз крылья бабочки покрыты чешуей с сетчатой ​​поверхностью ребер и отверстий, которые направляют свет в губчатую внутренность весов. Там, подобные столбу лучи ткани рассеивают свет, пока он не поглощен.

Фото крупным планом крыльев ультрачерных бабочек. Сделаны с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывают крошечные структуры в их чешуйках крыльев, которые захватывают свет. Из обсуждаемого исследования.

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

Но новое исследование предполагает, что «это не имеет значения», сказал Джонсен. Оказывается, ключевые различия между ультра-черной и обычной черной шкалой лежат в другом месте. Когда они посмотрели на крылья бабочек под электронным микроскопом, они обнаружили, что как ультра-черная, так и обычная черная чешуя имеют параллельные выступы 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, сказал Дэвис.

Эта трехмерная архитектура настолько хороша для поглащения света, что ультра-черные чешуйки выглядели бы черными даже при покрытии золотом. «Вы почти не можете сделать их блестящими», сказал Дэвис. Это также было обнаружено у других животных, таких как павлиньи пауки и райские птицы, которые, как известно, отражают всего 0,05% видимого света.

Ни одна из этих натуральных красот не является столь же темной, как самые черные синтетические материалы, 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 структуры, толщина которых составляет всего лишь небольшую долю от синтетических материалов.

В конечном счете, полученные данные могут помочь инженерам разработать более тонкие ультра-черные покрытия, которые уменьшают рассеянный свет, не утяжеляя предметы, что применимо, к примеру, для военного камуфляжа – для самолетов-невидимок, которые не видны ночью.

По словам Джонсена, до сих пор неясно, почему ультра-черная окраска снова и снова появлялась в генеалогическом древе бабочек.

Чернота на крыльях многих самцов бабочек темнее, чем на их коллегах-женщинах, поэтому одна теория заключается в том, что она помогает им хвастаться перед потенциальными товарищами. Черные области всегда граничат с белыми, цветными или переливающимися пятнами, поэтому идея заключается в том, что они могут работать как темная рамка для изображения, чтобы сделать более яркие пятна.

«Художники давно знают, что один и тот же цвет может выглядеть очень по-разному на разных фонах», – говорит Джонсен.

Следующий шаг, сказал Дэвис, состоит в том, чтобы выяснить, сколько раз бабочки развивали ультра-черные крылья, и определить, есть ли у этих видов что-то общее, что могло бы помочь объяснить, что способствовало изменению.

«Зачем быть таким черным?» – Сказал Дэвис. «Мы думаем, что это, скорее всего, какой-то сигнал партнерам или хищнику. Но есть множество других гипотез, и мы надеемся прояснить этот момент».

Исследование: http://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-15033-1 | Вас также может заинтересовать:

• Мотыльки подавляют шум, чтобы избежать гибели
• Нано-зеркала моли отражают свет, чтобы привлечь самку