Le strutture biologiche a volte hanno caratteristiche uniche che gli ingegneri vorrebbero copiare. Per esempio, molti tipi di ali di insetto versano acqua, uccidere i microbi, riflettono la luce in modi insoliti e sono autopulenti. Mentre i ricercatori hanno sezionato le caratteristiche fisiche che probabilmente contribuiscono a tali tratti, un nuovo studio rivela che i composti chimici che ricoprono le ali di cicala contribuiscono anche alla loro capacità di respingere l'acqua e uccidere i microbi.

Gli scienziati riportano le loro scoperte sulla rivista Interfacce materiali avanzati .

I ricercatori hanno esaminato i tratti fisici e le caratteristiche chimiche delle ali di due specie di cicale, Neotibicen pruinosus e Magicicada casinnii. N. pruinosus è una cicala annuale; M. casinnii emerge dal suolo una volta ogni 17 anni. Precedenti studi hanno dimostrato che entrambe le specie hanno uno schema altamente ordinato di minuscoli pilastri, chiamati nanopillari, sulle loro ali. I nanopilastri contribuiscono all'idrofobicità delle ali – perdono l'acqua meglio di un impermeabile – e probabilmente svolgono un ruolo nell'uccidere i microbi che cercano di attaccarsi alle ali.

"Sapevamo molto sulla struttura superficiale delle ali di cicala prima di questo studio, ma sapevamo ben poco della chimica di quelle strutture, "ha detto Marianne Alleyne, un professore di entomologia presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign che ha condotto lo studio con la chimica analitica Jessica Román-Kustas, dei Laboratori Nazionali Sandia di Albuquerque, Nuovo Messico; Donald Cropek, dell'US Army Corps of Engineers' Construction Engineering Research Laboratory; e Nenad Miljkovic, un professore di scienze meccaniche e ingegneria all'Illinois.

Per studiare la chimica dei nanopillari, Román-Kustas ha sviluppato un metodo per estrarre gradualmente i composti sulla superficie senza danneggiare la struttura complessiva delle ali. Ha messo ogni ala nel solvente in una camera chiusa e le ha scaldate lentamente al microonde.

"Abbiamo estratto tutti questi diversi composti in diversi periodi di tempo, e poi abbiamo analizzato cosa ne è uscito, " ha detto Román-Kustas. "E abbiamo anche esaminato i corrispondenti cambiamenti nella struttura dei nanopilastri".

Lo sforzo ha rivelato che le ali di cicala sono ricoperte da uno stufato di idrocarburi, acidi grassi e molecole contenenti ossigeno come gli steroli, alcoli ed esteri. Le molecole contenenti ossigeno erano più abbondanti più in profondità nei nanopilastri, mentre gli idrocarburi e gli acidi grassi costituivano la maggior parte degli strati di nanopillar più esterni.

"Trovare queste particolari molecole sulla superficie non è una sorpresa, "Ha detto Alleyne. "Gli idrocarburi e gli acidi grassi sulla cuticola degli insetti sono abbastanza comuni".

Il rapporto delle sostanze chimiche di superficie differiva tra le due specie di cicale, così come le loro strutture nanopillari.

Lo studio ha rivelato che l'alterazione delle sostanze chimiche di superficie ha modificato anche la struttura dei nanopilastri. Nelle cicale di N. pruinosis, i nanopilastri hanno cominciato a spostarsi l'uno rispetto all'altro man mano che le sostanze chimiche venivano estratte, e successivamente è tornato a una configurazione più parallela. Ciò ha anche cambiato la bagnabilità e le caratteristiche antimicrobiche delle ali.

Le ali delle cicale di M. cassinni avevano nanopilastri più corti e una maggiore proporzione di composti idrofobici sulla loro superficie. Il loro orientamento di configurazione dei nanopillar non è cambiato a seguito dell'estrazione dei loro prodotti chimici di superficie.

Mentre preliminare, le nuove scoperte offrono informazioni sull'interazione tra struttura e chimica nel determinare la funzione, ha detto Alleyne. Sezionando queste caratteristiche, i ricercatori sperano di progettare un giorno strutture artificiali con alcuni degli stessi tratti superficiali. Trovare materiali che versano acqua e uccidono i microbi, Per esempio, sarebbe utile in molte applicazioni, dall'agricoltura alla medicina, lei disse.