Un'illustrazione di una spatola del geco, una struttura su scala nanometrica sulle dita dell'animale che contribuisce alla sua presa. I fogli verdi rappresentano le proteine della cheratina. Gli scarabocchi grigi rappresentano le molecole lipidiche. Basato sui dati del microscopio di sincrotrone del NIST. Credito:Marianne Meijer/Kerncraft Art &Graphics
I gechi sono famosi per avere piedini aderenti che consentono loro di scalare facilmente le superfici verticali. Ottengono questo apparente superpotere da milioni di strutture microscopiche simili a capelli sulle dita dei piedi.
Ora, gli scienziati hanno ingrandito per uno sguardo ancora più da vicino quelle strutture, chiamate setae, e hanno scoperto che sono rivestite da una pellicola ultrasottile di molecole lipidiche idrorepellenti con uno spessore di solo un nanometro, o miliardesimi di metro.
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno analizzato la superficie delle setole utilizzando raggi X ad alta energia emessi da un tipo di acceleratore di particelle chiamato sincrotrone. Il microscopio di sincrotrone ha mostrato che le molecole lipidiche rivestono la superficie delle setole in matrici dense e ordinate.
I lipidi possono svolgere un ruolo in questo processo perché sono idrofobici, il che significa che respingono l'acqua. "I lipidi potrebbero funzionare per spingere via l'acqua sotto le spatole, consentendo loro di entrare in contatto più stretto con la superficie", ha affermato il fisico e coautore Tobias Weidner dell'Università di Aarhus in Danimarca. "Questo aiuterebbe i gechi a mantenere la presa sulle superfici bagnate."
Le setole e le spatole sono costituite da un tipo di proteina della cheratina simile a quella che si trova nei capelli e nelle unghie umane. Sono estremamente delicati. I ricercatori hanno dimostrato che le fibre di cheratina sono allineate nella direzione delle setole, il che potrebbe aiutarle a resistere all'abrasione.
A sinistra:un piede di geco. Al centro:una micrografia elettronica a scansione di strutture simili a capelli sulle dita dei gechi, chiamate setae, con "sp" che indica la posizione di strutture più piccole chiamate spatole. A destra:vista ravvicinata di una spatola individuale. Crediti:Foto a sinistra:Bjørn Christian Tørrissen, CC BY-SA 3.0; immagini al microscopio:Stanislas Gorb/Università di Kiel.
"La cosa più eccitante per me di questo sistema biologico è che tutto è perfettamente ottimizzato su ogni scala, dal macro al micro al molecolare", ha affermato il biologo e coautore Stanislav Gorb dell'Università di Kiel in Germania. "Questo può aiutare gli ingegneri biomimetici a sapere cosa fare dopo."
"Puoi immaginare stivali da geco che non scivolano sulle superfici bagnate o guanti da geco per contenere strumenti bagnati", ha affermato Dan Fischer, fisico e coautore del NIST. "O un veicolo che può salire sui muri, o un robot che può correre lungo le linee elettriche e ispezionarle."
Il microscopio a sincrotrone NIST utilizzato dai ricercatori per analizzare le setole è unico nella sua capacità di identificare le molecole sulla superficie di un oggetto tridimensionale, misurarne l'orientamento e mapparne la posizione. Si trova presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dove la National Synchrotron Light Source II, un acceleratore di particelle lungo mezzo miglio, fornisce una fonte di raggi X ad alta energia per l'illuminazione.
Questo microscopio viene generalmente utilizzato per comprendere la fisica di materiali industriali avanzati, tra cui batterie, semiconduttori, pannelli solari e dispositivi medici.
"But it is fascinating to figure out how gecko feet work," Fischer said, "and we can learn a lot from nature when it comes to improving our own technology."
NIST physicists Dan Fischer (left) and Cherno Jaye at the NIST synchrotron microscope located at U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory. Credit:C. Weiland/NIST.
An international team of researchers published the findings in Biology Letters . An earlier companion paper, published in Physical Chemistry Letters , used the same technique to show how the individual protein strands that make up the setae are aligned.
"A lot was already known about how setae work mechanically," said NIST physicist and co-author Cherno Jaye. "Now we have a better understanding of how they work in terms of their molecular structure."
Geckos have inspired many products, including adhesive tapes with setae-like microstructures. Understanding the molecular features of setae might lead inventors who find inspiration in nature—a concept called biomimicry—to come up with even better designs.
Setae provide sticking power because they are flexible and assume the microscopic contours of whatever surface the gecko is climbing. Even smaller structures at the ends of the setae, called spatulae, make such close contact with the climbing surface that electrons in both materials interact, creating a type of attraction called van der Waals forces. To release its foot, which might otherwise stay stuck, the gecko changes the angle of the setae, interrupting those forces and allowing the animal to take its next step. + Esplora ulteriormente
