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 no Proceedings of the National Academy of Sciences .

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.

“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 esconder 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 compreender a 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.

"Não está claro por que as cigarrinhas produzem partículas com estruturas tão complexas", disse Wang, "Conseguimos fazer esses brocossomos usando um método de impressão 3D de alta tecnologia em laboratório. Descobrimos que essas partículas feitas em laboratório podem reduzir a luz reflexão em até 94%. Esta é uma grande descoberta porque é a primeira vez que vimos a natureza fazer algo assim, controlando a luz de uma maneira 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 objetivo principal 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.

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 entre as espécies de cigarrinhas, independentemente do 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?"

Os investigadores descobriram que o design único dos brocossomas tem 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 que parecia brocossomos, e não uma réplica exata.

“Esta é a primeira vez que conseguimos fazer a geometria exata do brocossomo natural”, disse Wong, explicando que os pesquisadores conseguiram criar réplicas sintéticas em escala das estruturas dos brocossomas usando tecnologia avançada de impressão 3D.

Eles imprimiram uma versão ampliada com 20.000 nanômetros de tamanho, ou cerca de 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, nos concentramos apenas em uma espécie de inseto, mas há 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."

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 pesquisadores registraram uma patente provisória nos EUA.

Mais informações: Wong, Tak-Sing, Desenho geométrico de brocossomos de cigarrinha anti-reflexos, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2312700121. doi.org/10.1073/pnas.2312700121
Fornecido pela Universidade Estadual da Pensilvânia