Serangga Umum di Halaman Belakang Ini Membantu Ilmuwan Mengembangkan Alat Tembus Pandang
Dalam foto adalah wereng G. serpenta. Lin Wang dkk. mempelajari desain geometris lapisan permukaan pada tubuh wereng. Wereng menghasilkan brokosom untuk melapisi permukaan tubuhnya, yang berbentuk spheroid berongga, nanoskopik, berbentuk bola buckyball dengan lubang tembus yang tersebar di seluruh permukaannya. Para penulis menemukan bahwa lubang tembus pada bola buckyball berongga ini memainkan peran penting dalam mengurangi pantulan cahaya. Ini adalah contoh biologis pertama yang menunjukkan fungsi antirefleksi low-pass dengan panjang gelombang pendek yang dimungkinkan oleh lubang tembus dan struktur berongga. Kredit: Lin Wang dan Tak-Sing Wong/Penn State
Wereng, serangga umum di halaman belakang, mengeluarkan dan melapisi dirinya dengan partikel kecil misterius yang dapat memberikan inspirasi dan petunjuk bagi teknologi generasi mendatang, menurut sebuah studi baru yang dipimpin oleh para peneliti Penn State. Pada tahap pertama, tim secara tepat mereplikasi geometri kompleks partikel-partikel ini, yang disebut brokosom, dan menjelaskan pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana mereka menyerap sinar tampak dan sinar ultraviolet.
Hal ini memungkinkan pengembangan bahan optik yang terinspirasi oleh bio dengan kemungkinan penerapan mulai dari perangkat penyelubung tak kasat mata hingga pelapis agar dapat memanen energi matahari secara lebih efisien, kata Tak-Sing Wong, profesor teknik mesin dan teknik biomedis. Wong memimpin penelitian tersebut, yang dipublikasikan hari ini (18 Maret) di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Amerika Serikat (PNAS).
Misteri Brochosomes Terungkap
Partikel-partikel kecil yang unik ini memiliki geometri seperti bola sepak yang tidak biasa dan berlubang, dan tujuan sebenarnya dari partikel-partikel tersebut bagi serangga telah menjadi misteri bagi para ilmuwan sejak tahun 1950-an. Pada tahun 2017, Wong memimpin tim peneliti Penn State yang merupakan orang pertama yang membuat brokosom versi dasar sintetis dalam upaya untuk lebih memahami fungsinya.
Dalam foto adalah brokosom yang dihasilkan oleh wereng G. serpenta. Brokosom adalah spheroid berongga, nanoskopik, berbentuk bola bucky dengan lubang tembus yang tersebar di seluruh permukaan tubuh wereng. Lin Wang dkk. mempelajari hubungan antara sifat optik dan desain geometris brochosom. Para penulis menemukan bahwa lubang tembus pada bola buckyball berongga ini memainkan peran penting dalam mengurangi pantulan cahaya. Ini adalah contoh biologis pertama yang menunjukkan fungsi antirefleksi low-pass dengan panjang gelombang pendek yang dimungkinkan oleh lubang tembus dan struktur berongga. Kredit: Lin Wang dan Tak-Sing Wong/Penn State
“Penemuan ini bisa sangat berguna untuk inovasi teknologi,” kata Lin Wang, sarjana pascadoktoral di bidang teknik mesin dan penulis utama studi tersebut. “Dengan strategi baru untuk mengatur pantulan cahaya di permukaan, kita mungkin bisa menyembunyikan tanda termal manusia atau mesin. Mungkin suatu hari nanti orang bisa mengembangkan jubah tembus pandang termal berdasarkan trik yang digunakan wereng. Pekerjaan kami menunjukkan bagaimana memahami alam dapat membantu kita mengembangkan teknologi modern.”
Wang melanjutkan menjelaskan bahwa meskipun para ilmuwan telah mengetahui tentang partikel brokosom selama tiga perempat abad, membuatnya di laboratorium merupakan tantangan karena kompleksitas geometri partikel.
Memahami dan Mereplikasi Brokosom
“Masih belum jelas mengapa wereng menghasilkan partikel dengan struktur yang begitu rumit,” kata Wang. “Kami berhasil membuat brokosom ini menggunakan metode pencetakan 3D berteknologi tinggi di laboratorium. Kami menemukan bahwa partikel buatan laboratorium ini dapat mengurangi pantulan cahaya hingga 94%. Ini adalah penemuan besar karena ini pertama kalinya kita melihat alam melakukan hal seperti ini, di mana ia mengendalikan cahaya dengan cara tertentu menggunakan partikel berongga.”
Teori tentang mengapa wereng melapisi dirinya dengan pelindung brochosome berkisar dari menjaga mereka bebas dari kontaminan dan air hingga jubah tembus pandang seperti pahlawan super. Namun, pemahaman baru tentang geometri mereka menimbulkan kemungkinan kuat bahwa tujuan utamanya adalah sebagai jubah untuk menghindari predator, menurut Tak-Sing Wong, profesor teknik mesin dan teknik biomedis dan penulis studi tersebut.
Dalam foto adalah rangkaian brokosom sintetis skala mikro yang dicetak 3D. Di alam, wereng menghasilkan brokosom untuk melapisi permukaan tubuhnya, berupa spheroid berongga, nanoskopik, berbentuk bola buckyball dengan lubang tembus yang tersebar di seluruh permukaannya. Lin Wang dkk. mempelajari hubungan antara sifat optik dan desain geometris brokosom menggunakan brokosom sintetis cetak 3D. Para penulis menemukan bahwa lubang tembus pada bola buckyball berongga ini memainkan peran penting dalam mengurangi pantulan cahaya. Ini adalah contoh biologis pertama yang menunjukkan fungsi antirefleksi low-pass dengan panjang gelombang pendek yang dimungkinkan oleh lubang tembus dan struktur berongga. Kredit: Lin Wang dan Tak-Sing Wong/Penn State
Para peneliti telah menemukan bahwa ukuran lubang di brokosom yang memberikan tampilan berongga seperti bola sepak sangatlah penting. Ukurannya konsisten di seluruh wereng jenis, tidak peduli ukuran tubuh serangga tersebut. Brososom berdiameter sekitar 600 nanometer – sekitar setengah ukuran bakteri tunggal – dan pori-pori brokosom berukuran sekitar 200 nanometer.
“Itu membuat kami bertanya-tanya,” kata Wong. “Mengapa konsistensi ini? Apa rahasia memiliki brokosom berukuran sekitar 600 nanometer dengan pori-pori sekitar 200 nanometer? Apakah itu ada gunanya?”
Potensi Penerapan dan Arah Masa Depan
Para peneliti menemukan desain unik brokosom memiliki dua tujuan – menyerap sinar ultraviolet (UV), yang mengurangi visibilitas predator dengan penglihatan UV, seperti burung dan reptil, dan menghamburkan cahaya tampak, menciptakan perisai anti-reflektif terhadap potensi ancaman. Ukuran lubangnya sempurna untuk menyerap cahaya pada frekuensi ultraviolet.
Hal ini berpotensi mengarah pada berbagai aplikasi bagi manusia yang menggunakan brokosom sintetis, seperti sistem pemanenan energi matahari yang lebih efisien, pelapis yang melindungi obat-obatan dari kerusakan akibat cahaya, tabir surya canggih untuk perlindungan kulit yang lebih baik terhadap kerusakan akibat sinar matahari dan bahkan perangkat penyelubung, kata para peneliti. . Untuk mengujinya, pertama-tama tim harus membuat brokosom sintetis, yang merupakan tantangan tersendiri.
Dalam studinya pada tahun 2017, para peneliti meniru beberapa fitur brokosom, khususnya lesung pipit dan distribusinya, dengan menggunakan bahan sintetis. Hal ini memungkinkan mereka untuk mulai memahami sifat optik. Namun, mereka hanya mampu membuat sesuatu yang tampak seperti brokosom, bukan replika persisnya.
“Ini adalah pertama kalinya kami dapat membuat geometri yang tepat dari brokosom alami,” kata Wong, menjelaskan bahwa para peneliti mampu membuat replika sintetik berskala dari struktur brokosom dengan menggunakan teknologi pencetakan 3D yang canggih.
Mereka mencetak versi yang diperbesar dengan ukuran 20.000 nanometer, atau kira-kira seperlima diameter rambut manusia. Para peneliti secara tepat mereplikasi bentuk dan morfologi, serta jumlah dan penempatan pori-pori menggunakan pencetakan 3D, untuk menghasilkan brokosom palsu yang masih berukuran kecil dan cukup besar untuk dikarakterisasi secara optik.
Mereka menggunakan spektrometer Micro-Fourier transform inframerah (FTIR) untuk memeriksa bagaimana brokosom berinteraksi dengan cahaya inframerah dengan panjang gelombang berbeda, membantu para peneliti memahami bagaimana struktur memanipulasi cahaya.
Selanjutnya, para peneliti mengatakan mereka berencana untuk meningkatkan fabrikasi brokosom sintetis untuk memungkinkan produksi pada skala yang mendekati ukuran brokosom alami. Mereka juga akan mengeksplorasi aplikasi tambahan untuk brokosom sintetik, seperti enkripsi informasi, di mana struktur mirip brokosom dapat digunakan sebagai bagian dari sistem enkripsi di mana data hanya terlihat pada panjang gelombang cahaya tertentu.
Wang mencatat bahwa karya brochosome mereka menunjukkan nilai pendekatan penelitian biomimetik, di mana para ilmuwan mencari inspirasi dari alam.
“Alam telah menjadi guru yang baik bagi para ilmuwan untuk mengembangkan materi baru yang canggih,” kata Wang. “Dalam penelitian ini, kami hanya berfokus pada satu spesies serangga, namun masih banyak lagi serangga menakjubkan di luar sana yang menunggu untuk dipelajari oleh para ilmuwan material, dan mereka mungkin dapat membantu kami memecahkan berbagai masalah teknik. Mereka bukan sekedar serangga; mereka adalah inspirasi.”
Referensi: “Desain geometris brokosom wereng antipantul” oleh Lin Wang, Zhuo Li, Sheng Shen dan Tak-Sing Wong, 18 Maret 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2312700121
Bersama Wong dan Wang dari Penn State, peneliti lain dalam studi ini termasuk Sheng Shen, profesor teknik mesin, dan Zhuo Li, kandidat doktor di bidang teknik mesin, keduanya di Universitas Carnegie Mellon, yang berkontribusi pada simulasi dalam penelitian ini. Wang dan Li memberikan kontribusi yang sama dalam penelitian ini, dimana para peneliti telah mengajukan paten sementara di AS. Kantor Riset Angkatan Laut mendukung penelitian ini.
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
