科学家复制了昆虫眼睛的自清洁抗反射纳米涂层

大苍蝇复眼

来自俄罗斯和瑞士的科学家探讨了纳米结构,覆盖着小果蝇的眼睛的玉米饼。调查他们的团队学会了如何以具有成本效益和生态的方式生产安全的可生物降解的纳米核,以抗微生物,反射和自清洁性能。保护涂层可能在包括医学,纳米电子,汽车工业和纺织工业的各种经济区域中找到应用。描述这些发现的文章出现在自然

远东联邦大学的科学家(FEFU、俄罗斯)与日内瓦大学的同事们合作,洛桑大学和位于苏黎世的瑞士联邦理工学院的一个跨学科研究项目在此期间他们可以人工繁殖的nanocoating眼角膜的果蝇(果蝇)自然旨在保护昆虫的眼睛从最小的尘埃粒子和关闭光的反射。

纳米涂层的制备工艺满足了各个经济领域的要求。它可以包裹任何平面或三维结构,并根据不同的任务赋予其抗反射、抗菌和疏水特性,包括自清洁。例如,后者是昂贵的可重复使用的隔夜矫正视力的orthok镜片的一个非常重要的功能。类似的抗反射涂层已经为人所知,尽管它们是通过更复杂和昂贵的方法制造出来的。它们被用在电脑面板上,眼镜上,博物馆的绘画上,可以用它们来遮盖,以排除光的反射和折射。

“考虑到与现代制造类似结构的现代方法更具成本效益,我们能够以任何所需的数量生产纳米核化。天然成分的工作不需要特殊的设备,也不是化学蚀刻,光刻和激光印刷的显着能耗和限制,“生物医学学院的天然化合物的药理学研究和主管头部Fefu。

“发展具有广泛的应用。例如,它可能是纺织品的结构死亡,其将根据视角改变颜色。可以基于超材料,用于医疗植入物的抗菌层,以及用于隐形眼镜和挡风玻璃的自清洁涂层可以产生伪装涂层。我们还认为,如果我们加强了纳米核,它可能是为柔性微型晶体管原型的基础,专为现代电子产品设计。“

角膜纳米织物

从果蝇头的宏观形象到涂覆异常透镜的单个乳头型纳米结构的原子力显微镜(AFM)图像,从果蝇头的宏观图像上显示倍率增加。信用:米哈伊克·克莱鲁奇科夫,瑞士日内瓦大学医学系细胞生理学和新陈代谢系。瑞士洛桑大学洛桑大学药理学与毒理学系

科学家通过直接和反向生物工程方法,重建小果实苍蝇的角膜涂层。首先,它们将保护层分开进入其成分组分,其原来是视网膜(蛋白质)和角膜蜡(脂质),然后在室温条件下重新组装,覆盖玻璃和塑料表面。

弗拉基米尔·卡塔纳耶夫(Vladimir Katanaev)表示,任何其他类型的材料也可以被纳米涂层。结合不同类型的蜡和视网膜蛋白的遗传操作,可以设计出高度多样化和复杂的功能纳米涂层。

这位科学家解释说,果蝇眼角膜上具有保护作用的纳米结构的形成机制是一种自组织过程,1952年,艾伦·图灵(Alan Turing)将其描述为反应扩散机制。这与研究中进行的数学建模是一致的。这种机制也负责形成图案,例如,在斑马或豹的毛皮上。保护果蝇眼角膜的纳米结构是第一个在纳米尺度上建立图灵图模式的例子。

在研究项目的过程中,科学家们对视黄质的特性进行了详细的表征,因为迄今为止对这种蛋白质的研究很少。事实证明,这种最初的非结构蛋白在与角膜蜡相互作用时形成了球状结构。因此,科学家们深入研究了遵循图灵模型的自组织的生物物理本质,并强调了一个可能处于自组织核心的重要分子过程——蛋白质结构的启动。

在下一阶段,研究团队旨在开发三维纳米结构(纳米漏斗,纳米柱,涂层层内的纳米槽)的模型,也基于图灵机构。这项工作将撒谎在现代科学知识的前沿,并且可以有希望的基本和技术后果。

弗拉基米尔·卡塔纳耶夫(Vladimir Katanaev)教授大约在10年前开始研究果蝇眼睛的结构。据这位科学家说,最初的数据几乎是通过原子力显微镜即得的。在与蛋白质研究所(俄罗斯科学院)Igor Serdyuk教授的实验室合作期间,他们发现果蝇的眼角膜表面并不光滑,而是覆盖着美丽的伪有序纳米级生长物图案。结果,这种nanocoatings被描述在1960年代末的眼睛表面的飞蛾,大昆虫,这些结构还提供一个anti-reflex函数,减少入射光的反射为零,允许优化光感知在黑暗中。

参考:“Drosophila角膜纳米内膜的逆向和前进工程”由Mikhail Kryuchkov,Oleksii Bilousov,Jannis Lehmann,Manfred Fiebig和Vladimir L. Katanaev,192020年9月16日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2707 - 9

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