Abbaglianti ali di libellula possono mandare in estasi i poeti, ma gli scienziati desiderano una migliore comprensione. In particolare, vogliono conoscere la chimica dei diversi strati che danno origine a cristalli fotonici naturali che aiutano a creare il colore.

Ora, una collaborazione di ricercatori brasiliani dell'Università Federale di Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasile, hanno collaborato con esperti del Minnesota in imaging di superfici chimiche presso Physical Electronics, Inc. (PHI) per decifrare il meccanismo del colore della libellula dalle ali scintillanti dell'Amazzonia (Chalcopteryx rutilans).

I ricercatori presenteranno i risultati e le analisi dell'imaging della superficie molecolare durante il 64° Simposio ed esposizione internazionale AVS dal 29 ottobre al 29 novembre. 3, 2017, a Tampa, Florida. Hanno analizzato sia le ali trasparenti che quelle colorate per correlarle con la microscopia elettronica e i risultati ottici.

I colori delle ali scintillanti abbracciano lo spettro visibile con il rosso scintillante, blu, e regioni giallo/verdi sulle ali, la cui fonte sperano di trovare.

Gli investigatori brasiliani hanno ottenuto risposte parziali a questa domanda utilizzando metodi di microscopia elettronica di microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Sondare la meccanica del colore delle ali scintillanti ha rivelato che le ali iridescenti hanno più strati alternati con diverse densità elettroniche. La variazione del colore locale era correlata al numero e allo spessore degli strati, che è cambiato in tutta l'ala.

Mentre la misurazione dello spessore e del numero di strati era facilmente ottenibile mediante microscopia elettronica, l'approccio non è stato in grado di caratterizzare la chimica dei diversi strati che danno origine a questi cristalli fotonici naturali. Per comprendere appieno il meccanismo del colore, avevano bisogno di misurare le strutture chimiche nell'ala.

Collaborando con i colleghi del Minnesota a PHI, hanno misurato la chimica effettiva nella struttura dell'ala con una tecnica avanzata di imaging della superficie molecolare nota come spettrometria di massa di ioni secondari a tempo di volo (TOF-SIMS). Questa tecnica analitica di superficie estremamente sensibile può rivelare dati molecolari ed elementari altamente dettagliati sulle superfici, strati sottili e interfacce sia in 2-D che in 3-D. TOF-SIMS può essere utilizzato per sondare la struttura 3-D e la chimica di un'ampia varietà di materiali organici e inorganici, sia sintetici che naturali.

Tra i risultati più interessanti che il team ha scoperto è che i cambiamenti periodici nelle densità degli elettroni locali possono corrispondere a variazioni nelle concentrazioni di sodio (Na) e potassio (K) attraverso lo spessore dell'ala. Non hanno trovato risultati simili in letteratura, però.

David M. Carr, un ingegnere e scienziato senior presso PHI, mette in luce l'importanza dell'ingegneria della natura e delle sue applicazioni nello sviluppo tecnologico.

"La natura può spesso fornire esempi di soluzioni ingegneristiche. L'intero campo della biomimetica è dedicato all'apprendimento dalla natura per potenziali soluzioni a problemi ingegneristici difficili, " Carr ha detto. "Ogni campione naturale ha caratteristiche uniche e molto da insegnarci".