Taiwanilainen tutkijaryhmä on havainnut, että siivet kätkevät sisäänsä nanokokoisen rakenteen, joka voi muuttaa molekyylien ja epäpuhtauksien havaitsemismenetelmiä lääketieteessä ja ympäristössä.
Sisältö
Luonnon tarkkailu paljastaa toisinaan loistavia ratkaisuja tieteelliseen tutkimukseen. Näin kävi keisarikärpäsen siipien kanssa, jotka kätkevät sisäänsä pienen verkon, joka voi muuttaa kemiallisen ja biologisen havaitsemisen.
Jokainen hyönteisen siipi on peitetty tuhansilla nanokokoisilla spiraaleilla, jotka hopean levittämisen jälkeen mahdollistavat SERS-menetelmän avulla aiemmin näkymättömien signaalien havaitsemisen hämmästyttävällä tarkkuudella.
Tämä AIP Advances -lehdessä julkaistu löytö voi mullistaa anturien valmistuksen: sen avulla voidaan luoda herkempiä, edullisempia ja ympäristöystävällisempiä molekyylilaitteita. Se voi helpottaa lääketieteellistä diagnostiikkaa tai ympäristön seurantaa ympäri maailmaa.
Johtava tutkija Chung-Hung Hong teki tutkimuksen yhdessä Kiinan lääketieteellisen yliopiston ja Taiwanin kansallisen yliopiston ryhmien kanssa.
Allianssi, joka inspiroi innovatiivisten anturien kehittämiseen.
Keisarikirppu on puolikovakuoriaisten lahkoon kuuluva hyönteinen, joka tunnetaan läpikuultavista siivistään ja ainutlaatuisista nanokokoisista kuvioistaan. Se elää Aasian alueilla ja on tunnettu tyypillisestä laulustaan, jota urokset esittävät kesällä.
Sen siiven rakenne ei ainoastaan täytä biologisia tehtäviä, vaan inspiroi myös nanoteknologian kehitystä sen pinnalla olevien mikroskooppisten pylväiden järjestäytyneen sijoittelun ansiosta.
Toisaalta pienien molekyylien tai saastumisen jälkien havaitsemiseen on jo vuosien ajan tarvittu erikoistuneita ja kalliita optisia antureita.
Nämä laitteet toimivat Raman-spektroskopian avulla, mutta tarvittavien nanorakenteiden luominen on monimutkainen ja työläs prosessi.
Tämän tavoitteen saavuttamiseksi perinteiset teknologiat vaativat äärimmäistä tarkkuutta ja kalliita materiaaleja, minkä vuoksi niiden laajamittainen käyttö sairaaloissa tai seurannassa on vaikeaa.
Tämän ongelman edessä tutkijat kääntyivät luonnon puoleen. Keisarikirpun siivet esittävät ihanteellisia kuvioita nanotasolla.
Tutkijoiden tavoitteena oli käyttää tätä geometriaa valmiina mallina. He yrittivät yhdistää nämä biologiset rakenteet ohuella hopeakalvolla ja varmistaa, että niiden ominaisuudet eivät jää jälkeen parhaista laboratoriossa luoduista järjestelmistä.
Keisarikirppusta laboratorioon
Tutkimusryhmä otti keisarikirpun siivet ja tutki niitä tarkasti mikroskoopilla. He löysivät pienen metsän säännöllisiä kierteitä, jotka peittivät koko pinnan.
Sitten he levittivät hopeaa näille mikrorakenteille kahdella menetelmällä: magnetronisuihkutuksella ja elektronitykin avulla tapahtuvalla höyrystämisellä. Kumpikin menetelmä tuotti erilaisia muotoja: jotkut pylväät olivat sylinterimäisiä, toiset kartiomaisia.
He etsivät ihanteellista hopean paksuutta löytääkseen täydellisen etäisyyden pylväiden välillä. He havaitsivat, että viiden nanometrin etäisyys sylinterimäisten pylväiden välillä tuottaa suurimman SERS-vaikutuksen.
Tällainen etäisyys muodostaa ”kriittisiä pisteitä”, joissa sähkömagneettinen kenttä keskittyy, vahvistamalla rekisteröityä signaalia moninkertaisesti.
Näissä olosuhteissa saadun signaalin teho oli miljoona kertaa suurempi kuin siivellä, jolla ei ollut hopeapinnoitetta. Tämä edistysaskel tekee tästä teknologiasta vertailukohdan erittäin herkän optisen havaitsemisen alalla.
Tutkijat totesivat, että tätä menetelmää voidaan soveltaa muihin lajeihin, kuten perhoset tai lehdet, mikä tekee siitä entistä ympäristöystävällisemmän ja helpommin skaalattavan.
Edullisten anturien tulevaisuus
Keisarikirpun siivet voivat toimia inspiraationa anturien kehittämiselle, jotka toimivat eri aallonpituuksilla, jopa näkyvän valon ulkopuolella. Tämä mahdollistaa patogeenien tai epäpuhtauksien havaitsemisen erilaisissa ympäristöissä.
Tutkijat ovat arvelleet, että tämä voi ”avata uuden tien kestävään, edulliseen ja erittäin herkälle havaitsemisteknologialle” ja laajentaa pääsyä tieteellisiin ratkaisuihin ja innovaatioihin.
He myöntävät kuitenkin, että biologisten materiaalien käyttöön liittyy haasteita, kuten luonnollinen vaihtelu koossa tai muodossa, ja että muut luonnolliset pinnat vaativat lisätestausta ja mukauttamista.
Tutkimuksen tuloksena todettiin, että biologiset nanorakenteet voivat edistää tieteen ja tekniikan kehitystä. Ne osoittavat, kuinka tiede ja luonto voivat tehdä yhteistyötä uusien välineiden luomiseksi terveydenhuoltoon ja planeetan suojeluun.
