Los científicos de nanotecnología se basan en las extrañas excreciones parecidas a una pelota de fútbol de un insecto para diseñar un ingenioso camuflaje

Los científicos de nanotecnología se basan en las extrañas excreciones parecidas a una pelota de fútbol de un insecto para diseñar un ingenioso camuflaje

Por Iván Amato editado por Gary Stix

A principios de la década de 1950, los biólogos del Brooklyn College utilizaban un microscopio electrónico para seguir la pista de que el saltahojas, un insecto común que tiene aproximadamente el tamaño de un grano de arroz y que lleva el nombre de uno de sus comportamientos característicos, podría ser un agente de transmisión viral. En su investigación, los científicos observaron por cierto, en sus palabras“ciertos cuerpos ultramicroscópicos, hasta ahora no descritos”, en las alas de los saltamontes. En una nota de 1953 en el Boletín de la Sociedad Entomológica de Brooklyndenominaron a estas estructuras minúsculas, esféricas y parecidas a gatos “brochosomas”, en honor a una palabra griega que significa “malla de una red”.

Desde entonces, un grupo reducido pero decidido de científicos e ingenieros ha construido una hiperespecialidad anclada en los brocosomas. Estos investigadores se sienten atraídos por estos subpuntos de materia altamente estructurada por las maravillas biológicas que encarnan y las posibilidades tecnológicas que sugieren sus elaboradas formas porosas y propiedades físicas. Los aficionados a los Brochosome no dudan en compartir su alegría por haber asistido a una hazaña tan evolutiva.

“Nuestro grupo se sintió intrigado por los brocosomas por primera vez alrededor de 2015, atraídos por sus dimensiones a nanoescala y sus intrincadas geometrías tridimensionales similares a las buckybolas”, dice Tak Sing Wongingeniero biomédico y mecánico de la Universidad Estatal de Pensilvania. “Nos sorprendió cómo los saltamontes pueden producir consistentemente estructuras tan complejas a nanoescala, especialmente considerando que incluso con nuestras tecnologías de micro y nanofabricación más avanzadas todavía luchamos por lograr tal uniformidad y escalabilidad”.

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Tanto como cualquier persona interesada en estas estructuras, Wong ha estado trabajando para canalizar su envidia por los brocosomas hacia la creación de un gabinete de curiosidades tecnológicas basado en la habilidad de los brocosomas para absorber rangos específicos de longitudes de onda visibles y ultravioleta. A Wong, con sus socios de Penn State y la Universidad Carnegie Mellon, se le han concedido dos patentes estadounidenses y tiene otras pendientes para procesos de fabricación de homólogos sintéticos de brocosomas.

Wong dice que los brocosomas sintéticos son potencialmente adecuados para una variedad de aplicaciones, incluidos materiales antirreflectantes y de camuflaje, antifalsificación, encriptación de datos y una “seguridad óptica”, táctica en la que la información oculta se vuelve visible solo cuando se ilumina, por ejemplo, con infrarrojos o ultravioleta. luz. Los investigadores han podido reunir subvención de dinero de la Oficina de Investigación Navalque siempre está buscando la siguiente manera de dificultar que los adversarios detecten y rastreen buques de guerra, aviones y otros activos militares estadounidenses.

Gran parte de la reciente I+D inspirada en los brocosomas en todo el mundo, señala Wong, se deriva de la mejora ultraantirreflectante que los brochosomas creados por la naturaleza añaden al cuerpo de los saltamontes. No se trata sólo de una genial física óptica: este truco de la luz hace que los insectos se mantengan sigilosos en las superficies de las hojas, donde insectos hambrientos, pájaros y arañas buscan presas.

Algunas de las incursiones en la biología de los brocosomas han revelado que estas innovaciones naturales a nanoescala están compuestas de proteínas y lípidos que se ensamblan en nanoesferas sigilosas dentro de compartimentos especializados de los túbulos de Malpighi de los insectos, que son órganos excretores parecidos a riñones. Con sus patas traseras, los insectos se acicalan por completo con microgotas repletas de brocosomas que salen de su ano, lo que da como resultado mantos absorbentes de luz que les ayudan a vivir un día más.

Pero las nanoesferas sirven para algo más que ocultarse. En una reciente incorporación a la creciente lista de conceptos y prototipos de tecnologías inspiradas en brocosomas, el equipo de Wong en Penn State se unió a investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, dirigidos por el ingeniero mecánico Shen Shencon miras a ofrecer nuevos materiales no sólo para el camuflaje sino también para novedosos dispositivos de seguridad y cifrado. la tecnologia aprovecha la incapacidad de las personas para percibir la luz infrarroja.

Mientras los investigadores realizaban mediciones de los aspectos ópticos y otros aspectos físicos de los brocosomas sintéticos, notaron que “si bien estas estructuras parecían idénticas bajo la luz visible, exhibían contrastes dramáticos en las imágenes infrarrojas”, dice Shen. Y eso generó una idea de tecnología de cifrado y seguridad, que los investigadores ahora están siguiendo. El equipo se pregunta si sería posible codificar información infrarroja de forma invisible dentro del espectro visible. Un pequeño punto de un material brocosómico activo por infrarrojos en el dinero podría servir como firma de autenticidad y añadir un obstáculo adicional para los posibles falsificadores.

Los investigadores han explorado media docena de formas de fabricar brocosomas sintéticos de diversos tamaños y geometrías. Mediante el uso de diferentes materiales poliméricos, cerámicos y metálicos, el gabinete de tecnocuriosidades inspiradas en brochosomas se vuelve cada vez más llamativo.

Un equipo de investigadores chinos fanáticos de los brocosomas informó recientemente sobre un proceso para crear un espectro vívido de partículas que otorgan colores al llenar pequeñas hendiduras (espacios de “nanocuenco”) en estructuras plateadas de brochosomas con diminutas esferas de poliestireno. Cuando los investigadores adaptaron los tamaños de las esferas con un método de grabado preciso, pudieron modificar las interacciones electromagnéticas entre las esferas y, por lo tanto, los colores aparentes de las estructuras de brocosomas sintéticos. en un ACS Nano papel En el momento en que los investigadores implementaron su estrategia de creación de colores, sugirieron que esto abría un camino para producir colores más duraderos y estables en comparación con tintes y pigmentos químicos de vida más corta.

Un grupo de investigación chino diferente, que intentaba emular las hazañas de los camaleones, cefalópodos y otras criaturas, inventó estructuras de brochosomas a base de óxido de tungsteno que se vuelven menos reflectantes cuando son estimulados eléctricamente. Un posible punto final de este trabajo podrían ser las aplicaciones de ahorro de energía: ventanas que podrían regular la cantidad de energía solar y térmica que pasa a través de ellas a lo largo del día.

En una lista de tareas pendientes aún más amplia y ecléctica se encuentran electrodos captadores de luz que podría generar y acorralar electrones energizados para producir hidrógeno como combustible y superficies autolimpiables que puedan repeler líquidos y adhesivos. También en la lista hay sensores que podrían ser Diseñado para detectar bacterias y proteínas específicas. para aplicaciones de vigilancia ambiental y salud. Además, existe la posibilidad de que existan partículas inspiradas en brocosomas cuyos poros y superficies podrían ser Diseñado para transportar medicamentos específicos. para atacar los tejidos.

La promesa parece enorme, pero una era de tecnología inspirada en los brocosomas no es una perspectiva inmediata. “Uno de los principales obstáculos para el uso generalizado de brocosomas sintéticos es la falta de tecnologías de producción escalables, ya que sus complejas formas 3D y dimensiones a nanoescala siguen siendo difíciles de replicar a escala”, advierte Wong.

Ya sea que tecnologías específicas inspiradas en brocosomas lleguen a la meta o no, Wong dice que le encanta compartir su trabajo con familiares y amigos no científicos. “Quedan inmediatamente cautivados por la belleza de las estructuras de los brochosomas que parecen pelotas de fútbol”, dice. “Cuando les explico que las estructuras son unas 100 veces más delgadas que el diámetro de un cabello, apenas lo pueden creer”.

Mientras tanto, Shen acoge con agrado un aspecto humillante de este romance de investigación con los brochosomas. “Es un poderoso recordatorio de que la innovación no siempre tiene que surgir del ingenio humano”, afirma. “A veces la naturaleza ya ha resuelto los problemas en los que estamos trabajando”.