Наноструктуры в крыльях бабочки могут послужить прототипом инновационных охлаждающих материалов

Исследователи обнаружили, что бабочки имеют специализированное крыльевые чешуи для защиты живых частей своих крыльев; наноструктуры, обнаруженные в крыльевых чешуях, могли бы стать прототипом радиационно-охлаждающих материалов, чтобы помочь управлять чрезмерными тепловыми условиями; одновременно с этим сенсорная сеть в крыльях могла бы вдохновить дизайн передовых летательных аппаратов.

Новое исследование компании Columbia Engineering и Гарварда выявило критическую физиологическую важность подходящих температур для нормального функционирования крыльев бабочек и обнаружило, что насекомые тонко регулируют температуру своих крыльев посредством как структурных, так и поведенческих адаптаций.

Вопреки распространенному мнению, что крылья бабочек состоят в основном из безжизненных мембран, новое исследование показало, что они содержат сеть живых клеток, функция которых требует ограниченного диапазона температур для оптимальной работы. Учитывая их небольшую тепловую мощность, крылья могут быстро перегреваться на солнце, когда бабочки прекращают полет, и они могут слишком сильно остыть во время полета в холодной среде. Исследование, опубликованное сегодня  компанией Nature Communications, является первым, в котором подробно изучаются последствия температуры в формировании структуры крыла и поведения бабочек.

"Крылья бабочек - это по сути векторные светочувствительные панели, с помощью которых бабочки могут точно определять интенсивность и направление солнечного света, и делать это быстро, не используя свои глаза”, - говорит Nanfang Yu, доцент прикладной физики в Колумбийском инженерном институте и соавтор исследования.

Команда, которую совместно возглавила Наоми Э. Пирс, профессор биологии Гесселя на кафедре организмической и эволюционной биологии и куратор чешуекрылых в Музее сравнительной зоологии Гарварда, использовала свой опыт в области биологии и оптики, чтобы сделать ряд важных открытий. Осторожно удалив чешуйки крыльев, чтобы можно было заглянуть внутрь крыльев, и окрашивая нейроны, обнаруженные внутри крыла, они обнаружили, что крылья бабочки загружены сетью механических и температурных датчиков. Живые ткани в Крыльях активно снабжаются кровеносной и трахеальной системами на протяжении всей взрослой жизни - в случае окрашенных бабочек леди, в течение более трех недель.

Они также обнаружили "сердце крыла“, которое бьется несколько десятков раз в минуту, чтобы облегчить направленный поток крови насекомых или гемолимфы через” ароматическую подушку" или андроконический орган, расположенный на крыльях некоторых видов бабочек.

”Большинство исследований крыльев бабочек было сосредоточено на цветах, используемых для передачи сигналов между отдельными людьми. Эта работа показывает, что мы должны переосмыслить крыло бабочки как динамическую, живую структуру, а не как относительно инертную мембрану. Модели, наблюдаемые на крыле, также могут быть сформированы важным образом из-за необходимости модулировать температуру живых частей крыла", - говорит Пирс.

Исследователи разработали неинвазивный метод, основанный на инфракрасном гиперспектральном изображении, с каждым пикселем изображения, представляющим один инфракрасный спектр, что позволило им сделать впервые  точные измерения распределения температуры по крыльям бабочки. 

"Мы обнаружили, что разномасштабные наноструктуры и неоднородные толщины кутикул создают неоднородное распределение радиационного охлаждения - тепловыделение через тепловое излучение, что избирательно снижает температуру живых структур, таких как крыловые вены и ароматические подушки”, - поясняет Наньфан Ю.

Эффект этого регионального и селективного усиления теплового излучения был наглядно продемонстрирован в термодинамических экспериментах группы на крыльях бабочек. Экспериментальные условия, имитирующие естественную среду обитания бабочек, были созданы в лаборатории и позволили исследователям количественно оценить относительный вклад нескольких факторов окружающей среды в температуру крыла. К ним относятся интенсивность солнечного света, температура земной среды и температуру воздуха, которая может служить эффективным теплоотводом теплового излучения от нагретых крыльев. Команда обнаружила, что во всех смоделированных условиях окружающей среды, несмотря на различные видимые цвета и узоры, области крыльев бабочки, которые содержат живые клетки (жилки крыла и ароматические подушечки), всегда холоднее, чем “безжизненные” области крыла из-за усиленного радиационного охлаждения. 

“Наноструктуры, обнаруженные в чешуе крыла, могли бы стать прототипом радиационно-охлаждающих материалов, чтобы справиться с чрезмерным тепловым режимом”,- говорит Чэн-Цзя Цай, ведущий автор исследования.

Ученые провели серию поведенческих исследований живых бабочек из шести из семи признанных семейств бабочек, чтобы исследовать реакцию на имитацию солнечного света, приложенного к крыльям. Команда обнаружила, что насекомые используют свои крылья, чтобы чувствовать направление и интенсивность солнечного света-основной источник тепла или перегрева-и реагировать специальным поведением, чтобы предотвратить перегрев или переохлаждение своих крыльев. Например, все изученные виды проявляли относительно постоянную "триггерную" температуру примерно 40o градусов Цельсия, поворачиваясь в течение нескольких секунд, чтобы избежать перегрева крыльев от небольшого светового пятна, направленного на них.

В настоящее время ученые проводят крупномасштабное систематическое оптическое исследование коллекций чешуекрылых в Гарвардском музее сравнительной зоологии. Они включают в себя тысячи отдельных экземпляров сотен видов бабочек по всему филогенетическому дереву, каждый образец с полными гиперспектральными данными визуализации, взятыми из ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона. В 1863 году Генри Уолтер Бейтс, английский натуралист и исследователь, написал о крыльях бабочки в своей книге “натуралист на реке амазонках”: "на этих расширенных мембранах природа пишет, как на табличке, историю модификаций видов ..." точно так же, как расшифровка загадочных символов на табличке, команда надеется получить всестороннее понимание окраски и рисунка крыльев, которые являются результатами многих (и часто противоречивых) биологических и физических факторов: полового отбора, предупреждающей окраски, мимикрии, камуфляжа и терморегуляции.

“Каждое крыло бабочки оснащено несколькими десятками механических датчиков, которые обеспечивают обратную связь в режиме реального времени, чтобы обеспечить сложные модели полета. Это важный факт при  проектировании крыльев летательных аппаратов: возможно, конструкция крыла не должна основываться исключительно на соображениях динамики полета, а крылья, спроектированные как интегрированная сенсорно-механическая система, могли бы позволить летательным аппаратам лучше работать в сложных аэродинамических условиях”, - поясняют авторы исследования.