Ярко окрашенные австралийские пауки-павлины (Maratus spp.) очаровывают даже самых арахнофобных зрителей своими яркими проявлениями ухаживания, демонстрируя разнообразную и замысловатую окраску тела, узоры и движения - все это упаковано в миниатюрные тела размером менее 5 мм. для многих видов. Тем не менее, эти дисплеи не просто красивы, они также вдохновляют людей на новые способы воспроизведения цвета в технологиях.
Один из видов пауков-павлинов - радужный паук-павлин (Maratus robinsoni) - особенно впечатляет, потому что он демонстрирует интенсивный радужный переливающийся сигнал при ухаживании самцов за самками. Это первый известный случай в природе, когда самцы используют всю радугу цветов, чтобы побудить самок к спариванию. Но как самцы делают свои радуги?
Поиск ответа был по своей сути междисциплинарным, поэтому доктор Бор-Кай Хсюн, в настоящее время занимающий постдокторскую степень в Институте океанографии Скриппса в Калифорнийском университете в Сан-Диего, собрал команду, в которую вошли биологи, физики и инженеры, пока он был доктор философии студент Университета Акрона (UA), доктор философии по комплексным биологическим наукам. программа под руководством доктора Тодда Блэкледжа и доктора Мэтью Шоуки (сейчас работает в Гентском университете) и при поддержке Центра исследований и инноваций биомимикрии UA. В состав группы входили исследователи из США - UA, Океанографического института Скриппса, Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) и Университета Небраски-Линкольн (UNL) - Бельгии (Университет Гента), Нидерландов (Университет Гронингена) и Австралии. чтобы узнать, как радужные пауки-павлины производят этот уникальный переливающийся сигнал.
Команда исследовала фотонные структуры паука, используя методы, включающие световую и электронную микроскопию, гиперспектральную визуализацию, визуализирующую рефлектометрию и оптическое моделирование, чтобы выдвинуть гипотезы о том, как чешуя паука генерирует такие интенсивные радуги. Затем команда использовала передовую нано-3D-печать для изготовления различных прототипов для проверки и подтверждения своих гипотез. В конце концов, команда обнаружила, что интенсивная радужная переливчатость исходила от специализированных брюшных чешуек пауков. Эти масштабы сочетают в себе микроскопический трехмерный контур аэродинамического профиля с наноразмерными структурами дифракционной решетки на поверхности. Именно взаимодействие между поверхностной нанодифракционной решеткой и микроскопической кривизной чешуи позволяет разделить и разделить свет на составляющие его длины волны под более тонкими углами и на меньших расстояниях, чем это возможно с современными инженерными технологиями.
«Кто знал, что такое маленькое существо будет создавать такую интенсивную радужность, используя чрезвычайно сложные механизмы, которые вдохновят инженеров-оптиков», - с волнением сказал доктор Димитри Дехейн во время интервью. Дехейн - постдокторский наставник Хсиунга в Scripps Oceanography и соавтор этого исследования.
Для Сюна открытие не было таким уж неожиданным. «Один из главных вопросов, который я хотел затронуть в своей докторской диссертации, был: «Как природа модулирует радужность?» С точки зрения биомимикрии, чтобы полностью понять и ответить на вопрос, нужно принимать во внимание крайности с обеих сторон. Поэтому я целенаправленно решил изучить этих крошечных пауков с интенсивной радужной окраской после изучения нерадужных голубых тарантулов», - сказал Сюн..
Механизм, лежащий в основе этих крошечных радуг, может вдохновить на создание новых технологий цвета, но он не был бы обнаружен без исследования, объединяющего основы естествознания с физикой и инженерией.
«Объединение такого разнообразного исследовательского опыта, чтобы понять невероятное разнообразие природы, а затем применить эти знания к человеческим технологиям - это именно то, чем занимается Центр исследований и инноваций в области биомимикрии UA», - сказал Блэкледж.
«Мы иногда забываем, что математические оптические модели, хотя и являются важными инструментами, являются гипотезами, которые необходимо проверять», - ответил Шоуки на вопрос о том, как это исследование может изменить способ исследования биологических фотонных структур в будущем. «Наноразмерная 3D-печать позволила нам экспериментально проверить наши модели, что было очень интересно. Мы надеемся, что в будущем эти методы станут широко распространенными».
«Как инженера, я нашел захватывающим в этих структурных цветах пауков то, как эти долго эволюционировавшие сложные структуры все еще могут превосходить человеческую инженерию», - добавил доктор. Радванул Хасан Сиддик, научный сотрудник Калифорнийского технологического института и соавтор этого исследования. «Даже с помощью высокотехнологичных технологий изготовления мы не смогли воспроизвести точные структуры. Интересно, как пауки вообще собирают эти причудливые структурные узоры!»
Вдохновение, полученное от этих сверхрадужных паутинных чешуек, может быть использовано для преодоления существующих ограничений в спектральных манипуляциях и для уменьшения размера оптических спектрометров для приложений, где требуется мелкомасштабное спектральное разрешение в очень маленьком корпусе, особенно для инструментов на космические миссии или носимые системы обнаружения химических веществ.
В конце концов, пауки-павлины не просто производят самые маленькие радуги в природе, они также могут иметь значение для широкого круга областей, от наук о жизни и биотехнологий до материаловедения и инженерии.