Un ragno pavone in miniatura con iridescenze arcobaleno. a) Un maschio adulto Maratus robinsoni. b) A M. robinsoni appoggiato su un'unghia umana:il ragno ha una dimensione di soli ~?2,5?mm. L'addome iridescente del ragno è indicato dalla freccia nera. c) Una vista ingrandita (barra della scala:200?μm) dello stesso addome del ragno come mostrato nel quadrato tratteggiato di a, ma con un angolo di visione diverso. Notare che i colori delle macchie iridescenti cambiano quasi nei loro colori complementari tra le due diverse viste, dal blu al rosso (frecce rosse), e dal viola al giallo verde (frecce blu). Credito:Dr. Jürgen C. Otto, coautore
Ragni pavone australiani dai colori vivaci ( Maratus spp. ) affascinano anche gli spettatori più aracnofobici con le loro sgargianti esibizioni di corteggiamento con diverse e intricate colorazioni del corpo, modelli, e movimenti - tutti confezionati in corpi in miniatura di dimensioni inferiori a 5 mm per molte specie. Però, questi display non sono solo belli da vedere, ispirano anche nuovi modi per gli esseri umani di produrre colore nella tecnologia.
Una specie di ragno pavone - il ragno pavone arcobaleno ( Maratus robinsoni ) - è particolarmente impressionante, perché mostra un intenso segnale iridescente arcobaleno nelle esibizioni di corteggiamento dei maschi per le femmine. Questo è il primo caso conosciuto in natura di maschi che usano un intero arcobaleno di colori per invogliare le femmine ad accoppiarsi. Ma come fanno i maschi a creare i loro arcobaleni?
Trovare la risposta era intrinsecamente interdisciplinare, quindi il Dr. Bor-Kai Hsiung - ora studioso post-dottorato presso Scripps Institution of Oceanography presso l'Università della California a San Diego - ha riunito un team che includeva biologi, fisici e ingegneri mentre era un dottorato di ricerca. studente presso il dottorato in scienze biologiche integrate dell'Università di Akron (UA). programma sotto la guida del Dr. Todd Blackledge e del Dr. Matthew Shawkey (ora presso l'Università di Ghent), e supportato dal Centro di ricerca e innovazione sulla biomimetica di UA. Il team includeva ricercatori degli Stati Uniti - UA, Scripps Istituto di Oceanografia, California Institute of Technology (Caltech), e Università del Nebraska-Lincoln (UNL) - Belgio (Università di Gent), Paesi Bassi (Università di Groninga), e l'Australia per scoprire come i ragni pavone arcobaleno producono questo segnale iridescente unico.
Il team ha studiato le strutture fotoniche del ragno utilizzando tecniche che includevano la microscopia ottica ed elettronica, imaging iperspettrale, scatterometria di immagini e modellazione ottica per generare ipotesi su come la scala del ragno generi arcobaleni così intensi. Il team ha quindi utilizzato la stampa nano 3D all'avanguardia per fabbricare diversi prototipi per testare e convalidare le loro ipotesi. Alla fine, il team ha scoperto che l'intensa iridescenza arcobaleno emergeva da squame addominali specializzate sui ragni. Queste scale combinano un profilo 3D microscopico simile a un profilo aerodinamico con strutture a reticolo di diffrazione su nanoscala sulla superficie. È l'interazione tra il reticolo di nano-diffrazione superficiale e la curvatura microscopica delle scaglie che consente la separazione e l'isolamento della luce nelle lunghezze d'onda dei suoi componenti ad angoli più fini ea distanze minori rispetto a quelle possibili con le attuali tecnologie ingegneristiche.
Micrografia leggera con motivi arcobaleno M. robinsoni bilancia. Quadrato centrale nero:4?×?4?μm2 Credito:Dr. Bor-Kai Hsiung, coautore
"Chi sapeva che una creatura così piccola avrebbe creato un'iridescenza così intensa utilizzando meccanismi estremamente sofisticati che ispireranno gli ingegneri ottici, " ha detto il Dr. Dimitri Deheyn con entusiasmo durante un'intervista. Deheyn è il mentore postdoc per Hsiung presso Scripps Oceanography e coautore di questa ricerca.
Per Hsiung, la scoperta non era così inaspettata. "Una delle domande principali che volevo affrontare nella mia tesi di dottorato era 'in che modo la natura modula l'iridescenza?' Dal punto di vista della biomimetica, per comprendere appieno e rispondere a una domanda, bisogna prendere in considerazione gli estremi da entrambe le estremità. Quindi, Ho volutamente scelto di studiare questi piccoli ragni con intensa iridescenza dopo aver studiato le tarantole blu non iridescenti, " disse Hsiung.
Il meccanismo alla base di questi minuscoli arcobaleni potrebbe ispirare una nuova tecnologia del colore, ma non sarebbe stato scoperto senza la ricerca che combinava la storia naturale di base con la fisica e l'ingegneria.
"Riunire competenze di ricerca così diverse per comprendere l'incredibile diversità della natura e quindi applicare tale conoscenza alla tecnologia umana è esattamente ciò di cui tratta il Centro di ricerca e innovazione sulla biomimetica di UA, " disse Blackledge.
Una vista ingrandita dell'addome del ragno pavone Maratus robinsoni . Credito:Dr. Jürgen Otto, coautore
"A volte dimentichiamo che i modelli ottici matematici, mentre gli strumenti critici, sono ipotesi da verificare, "rispose Shawkey, alla domanda su come questa ricerca potrebbe cambiare il modo in cui i ricercatori studiano le strutture fotoniche biologiche in futuro. "La stampa 3D su nanoscala ci ha permesso di validare sperimentalmente i nostri modelli, che è stato davvero emozionante. Speriamo che queste tecniche diventino comuni in futuro".
"Come ingegnere, quello che ho trovato affascinante di questi colori strutturali di ragno è come queste strutture complesse evolute da tempo possano ancora superare l'ingegneria umana, " ha aggiunto il dottor Radwanul Hasan Siddique, uno studioso post-dottorato al Caltech e coautore di questa ricerca. "Anche con tecniche di fabbricazione di fascia alta, non siamo riusciti a replicare le strutture esatte. Mi chiedo come i ragni assemblano questi fantasiosi modelli strutturali, in primo luogo!"
L'ispirazione da queste scaglie di ragno super iridescente può essere utilizzata per superare i limiti attuali nella manipolazione spettrale, e per ridurre le dimensioni degli spettrometri ottici per applicazioni in cui è richiesta una risoluzione spettrale su piccola scala in un pacchetto molto piccolo, in particolare strumenti sulle missioni spaziali, o sistemi indossabili di rilevamento di sostanze chimiche.
Alla fine, i ragni pavone non producono solo i più piccoli arcobaleni della natura, potrebbero anche avere implicazioni per un'ampia gamma di campi che vanno dalle scienze della vita e le biotecnologie alle scienze dei materiali e all'ingegneria.
