«Некоторые животные довели черноту до крайности», – сказал Алекс Дэвис, аспирант лаборатории биолога Университета Дьюка Сонке Йонсена.
Бабочки, которые они изучают, в 10-100 раз темнее древесного угля, свежего асфальта, черного бархата и других повседневных черных предметов. Всего лишь 0.06% падающего на них света отражается обратно в глаза.
Это приближается к самым черным черным покрытиям, созданным людьми, чтобы помочь солнечным панелям поглощать больше энергии солнца, или к телескопам, чтобы уменьшить рассеянный свет.
Тем не менее, они достигают этого эффекта улавливания света с помощью крыловых чешуек, глубина которых составляет всего несколько микрон, что составляет лишь часть толщины самых черных синтетических покрытий.
В исследовании, опубликованном в выпуске журнала Nature Communications от 10 марта, исследователи Duke сообщают, что сверхчерные бабочки из разных регионов земного шара, похоже, сошлись на одном и том же трюке. По их словам, секрет того, как сделать черных такими темными и легкими, заключается не в избытке меланина – пигмента, отвечающего за вороньи перья или шерсть черной кошки.
Это оптическая иллюзия, созданная трехмерной структурой чешуек крыльев бабочек.
Свет входит в их чешую, но очень мало отскакивает.
В своем исследовании Дэвис, Джонсен и профессор Дьюк Фред Ниджхаут использовали сканирующую электронную микроскопию высокого разрешения и компьютерное моделирование, чтобы изучить микроскопические структуры на крыльях 10 видов сверхчерных бабочек и четырех обычных черных или темно-коричневых бабочек из Центральной и Южной Америки. и азия.
Крылья бабочки могут выглядеть гладкими невооруженным глазом.
Вблизи это другая история. Увеличенные в тысячи раз, крылья бабочки покрыты чешуей с сеткообразной поверхностью с гребнями и отверстиями, которые направляют свет в губчатую внутреннюю часть чешуи.
Там столбообразные лучи ткани рассеивают свет до тех пор, пока он не будет поглощен.
До недавнего времени невероятные светопоглощающие свойства некоторых черных бабочек объяснялись тем, что это происходило из-за сотового рисунка в крошечных отверстиях на поверхности чешуек.
Но новое исследование предполагает, что «это не имеет значения», – сказал Йонсен.
Глядя на бабочек из четырех подсемейств – широчайшего диапазона ультрачерных бабочек, которые были исследованы на сегодняшний день, – команда обнаружила, что другие ультрачерные бабочки поглощают такое же количество света, используя отверстия различных форм и размеров, от соты и прямоугольники в виде шеврона.
Оказывается, ключевые различия между ультра-черной и обычной черной чешуей заключаются в другом. Когда они посмотрели на крылья бабочек под электронным микроскопом, они обнаружили, что и ультра-черная, и обычная черная чешуя имеют параллельные гребни на поверхности и столбики внутри.
Но гребни и столбы глубже и толще в ультра-черной чешуе по сравнению с «нормальной» черной чешуей.
Когда команда имитировала разные масштабы крыльев в компьютерном моделировании, чешуйки без ребристой поверхности или внутренних стоек отражали в 16 раз больше света. По словам Дэвиса, это было бы похоже на переход от ультра-черного к темно-коричневому.
Эта трехмерная архитектура настолько хорошо поглощает свет, что ультра-черные чешуйки по-прежнему выглядят черными, даже когда они покрыты золотом.
"Вы почти не можете сделать их блестящими", – сказал Дэвис.
Подобные глубокие черные цвета появляются и у других животных, таких как пауки-павлины и райские птицы, которые, как известно, отражают всего 0.05% видимого света.
Ни одна из этих природных красот не может быть такой темной, как самый черный синтетический черный за всю историю наблюдений, который поглощает более 99 оттенков.99% падающего света используют плотно упакованные «леса» углеродных нанотрубок высотой от 10 до 50 микрон. Но что делает бабочек интересными, говорят исследователи, так это то, что они конкурируют с лучшими нанотехнологиями по улавливанию света, используя структуры, которые составляют лишь часть толщины.
В конечном итоге результаты могут помочь инженерам разработать более тонкие ультра-черные покрытия, которые уменьшают рассеянный свет, не утяжеляя вещи, для различных применений, начиная от военной камуфляжа – для самолетов-невидимок, которые не видны ночью или не обнаруживаются радаром – до облицовки космоса. телескопы нацелены на тусклые далекие звезды.
По словам Йонсена, до сих пор неясно, почему ультра-черная окраска появляется снова и снова на генеалогическом древе бабочек.
Чернота на крыльях многих бабочек-самцов темнее, чем у их собратьев-самок, поэтому одна теория состоит в том, что это помогает им хвастаться перед потенциальными партнерами. Черные области всегда граничат с белыми, цветными или переливающимися пятнами, поэтому идея состоит в том, что они могут работать как темная рамка изображения, чтобы более яркие пятна выделялись.
«Художники давно знают, что один и тот же цвет может выглядеть по-разному на разном фоне», – сказал Йонсен.
Следующий шаг, по словам Дэвиса, – это выяснить, сколько раз у бабочек развивались ультра-черные крылья, и определить, есть ли у этих видов что-то общее, что могло бы помочь объяснить, что способствовало изменению.
"Зачем быть таким черным?"Дэвис сказал. "Мы думаем, что это, вероятно, своего рода сигнал партнерам или, может быть, хищнику. Но есть множество других возможностей, и мы надеемся прояснить это."