昆虫激发下一代隐身技术和装置的灵感

“小体”（Brochosomes）是一种由常见昆虫叶蝉产生的中空、纳米级、足球状球体，具有通孔。研究人员发现，这些中空球体有助于减少光的反射。这是第一个通过通孔和中空结构实现短波长、低通抗反射功能的生物实例。根据宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究，叶蝉——一种常见的后院昆虫——分泌并包裹着微小的神秘颗粒，这些颗粒可能为未来技术提供灵感。研究小组首次精确复制了这些被称为“小体”（brochosomes）的微粒的复杂几何形状，并更好地阐明了它们是如何吸收可见光和紫外线的。机械工程和生物医学工程学教授黄德星（Tak-SingWong）说，这将有助于开发生物光学材料，其可能的应用范围包括隐身装置和更有效地收集太阳能的涂层。黄教授领导的这项研究3月18日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。这种独特的微小颗粒具有足球状几何形状和空腔，自20世纪50年代以来，它们对昆虫的确切用途一直是科学家们的一个谜。2017年，黄德星领导的宾夕法尼亚州立大学研究小组首次创造出了基本的合成版胸腺小体，试图更好地了解它们的功能。“这一发现可能对技术创新非常有用，”该研究的第一作者、机械工程博士后学者王林说，“有了调节表面光反射的新策略，我们或许就能隐藏人类或机器的热信号。也许有一天，人们可以根据叶蝉使用的技巧开发出一种热隐身斗篷。我们的工作表明，了解自然可以帮助我们开发现代技术。”王林解释说，尽管科学家们对肉孢子体粒子的了解已有70余年，但由于粒子几何形状的复杂性，在实验室中制造肉孢子体粒子一直是一项挑战。王林说：“一直以来，我们都不清楚为什么叶蝉会产生结构如此复杂的颗粒，我们在实验室里利用高科技的三维打印方法成功地制造出了这些‘小粒’。我们发现，这些实验室制造的颗粒可以减少高达94%的光反射。这是一个重大发现，因为这是我们第一次看到大自然做这样的事情——用空心颗粒以如此特殊的方式控制光线。”关于叶蝉为什么要给自己穿上“锦囊盔甲”的理论不一而足，有的说是为了让自己不受污染物和水的侵害，有的说是为了给自己穿上超级英雄般的隐身斗篷。然而，该研究的通讯作者黄德星说，对叶蝉几何形状的新认识提出了一种强烈的可能性，即叶蝉的主要目的可能是躲避捕食者。研究人员发现，肉孢子体上的孔的大小非常重要，这些孔使肉孢子体呈现出中空、类似足球的外观。无论昆虫的身体大小如何，叶蝉物种的大小都是一致的。肉孢子体直径大约为600纳米，约为单个细菌大小的一半，肉孢子体孔大约为200纳米。“这让我们提出了一个问题，”黄德星说，“为什么会有这种一致性？拥有约600纳米、孔径约200纳米的小体的秘密是什么？这有什么作用吗？”研究人员发现，“小体”的独特设计具有双重作用——吸收紫外线（UV），从而降低鸟类和爬行动物等具有紫外线视觉的捕食者的能见度；散射可见光，形成防反射罩，抵御潜在威胁。小孔的大小非常适合吸收紫外线频率的光。研究人员说，这有可能为人类带来多种使用合成“小体”的应用，如更高效的太阳能收集系统、保护物体免受光引起的损害的涂层、更好地保护皮肤免受阳光伤害的高级防晒霜，甚至隐身装置。为了测试这一点，研究小组首先必须制造出合成的“小体”，这本身就是一项重大挑战。在2017年的研究中，研究人员利用合成材料模仿了肉毒杆菌的一些特征，特别是凹陷及其分布。这让他们开始了解其光学特性。不过，他们只能制作出看起来像小核糖体的东西，而不是精确的复制品。黄德星说：“这是我们第一次能够制造出与天然胸腺小体完全相同的几何形状，”他解释说，“研究人员能够利用先进的三维打印技术制造出按比例合成的胸腺小体结构复制品。”他们打印出了一个放大版，大小为20000纳米，大约是人类头发直径的五分之一。研究人员利用三维打印技术精确复制了形状和形态，以及孔的数量和位置，从而制造出足够大的仿真小核糖体，并对其进行了光学表征。他们使用微型傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）检查了“小体”是如何与不同波长的红外光相互作用的，从而帮助研究人员了解这种结构是如何操纵光线的。研究人员说，下一步，他们计划改进合成“小体”的制造工艺，使生产规模更接近天然“小体”的大小。他们还将探索合成“小体”的其他应用，如信息加密，在这种加密系统中，类似“小体”的结构可用作加密系统的一部分，在这种加密系统中，只有在特定波长的光下才能看到数据。王林指出，他们的“小体”研究工作展示了生物模拟研究方法的价值，即科学家从大自然中寻找灵感。“大自然一直是科学家开发新型先进材料的好老师，”王林说，“在这项研究中，我们只关注了一种昆虫，但还有更多神奇的昆虫等待着材料科学家去研究，它们或许能帮助我们解决各种工程问题。它们不仅仅是虫子，更是灵感的源泉。”研究人员已为研究申请了美国临时专利。美国海军研究办公室为该研究提供了资金支持。（航柯）