تلون الحيوانات نفسها مع الهياكل النانوية

مصر: ايهاب محمد زايد
تقوم الحيوانات بنحت الخصائص البصرية لأنسجتها بالمقياس النانوي لإعطاء نفسها “ألوان هيكلية”. العمل الجديد هو تجميع كيفية القيام بذلك.
مثل العديد من الحيوانات ، يحصل طائر الأوراق الأزرق الجناح في جنوب شرق آسيا على ألوانه المتقزحة من الألوان الهيكلية – مواد ذات ميزات مقياس نانومتر تحيد وتعكس أطوال موجية محددة من الضوء.
وولونغ تومي
الطاووس ، والحرباء النمرية ، والببغاوات القرمزية ، وأسماك المهرج ، والطوقان ، والأخطبوطات الزرقاء الحلقية وغيرها الكثير: تمتلك مملكة الحيوان عددًا لا يحصى من السكان مع جمال ملون بشكل غير عادي. لكن في كثير من الحالات ، يعرف العلماء الكثير عن كيفية استخدام الحيوانات لألوانها أكثر من كيفية صنعها. يستمر العمل الجديد في الكشف عن تلك الأسرار ، والتي غالبًا ما تعتمد على التجميع الذاتي الدقيق بشكل خيالي للسمات الدقيقة في الريش والمقاييس والشعر والجلد – وهي حقيقة تجعل الإجابات مثيرة للاهتمام بشدة لفيزيائيي المادة الناعمة والمهندسين في مجال الضوئيات صناعة.
يتم إنتاج العديد من الألوان الموجودة في الطبيعة ، لا سيما في المملكة النباتية ، بواسطة أصباغ تعكس جزءًا من طيف الضوء بينما تمتص الباقي. تعكس الأصباغ الخضراء مثل الكلوروفيل الجزء الأخضر من الطيف ولكنها تمتص الأطوال الموجية الحمراء والصفراء الأطول بالإضافة إلى الموجات الزرقاء الأقصر. تعتمد الأطوال الموجية المحددة التي تنعكس أو تمتص على التركيب الجزيئي للصبغة والمسافات الدقيقة بين الذرات في هياكلها الجزيئية.
نظرًا لأن النباتات تتحكم في التوليف الكيميائي الحيوي ، يمكن لخلاياها اختلاق أنواع عديدة من الأصباغ ، لكن الحيوانات بشكل عام فقدت المسارات الأيضية لتكوين معظمها. الميلانين ، الصبغة السائدة في الحيوانات ، إما بني (يوميلانين) أو أصفر محمر (فيوميلانين) – لوحة محدودة نوعًا ما. لجعل قوس قزح أكثر ثراءً من الألوان التي يحتاجون إليها لتزيين وإخفاء أنفسهم ، ومغازلة الأصدقاء ودرء الحيوانات المفترسة ، يمكن للحيوانات غالبًا الحصول على الأصباغ اللازمة من نظامهم الغذائي. على سبيل المثال ، يأتي اللون الأحمر والأصفر الفاتح للطيور في الغالب من أصباغ كاروتينويد في طعامهم.
ومع ذلك ، فإن الطرف الأزرق من الطيف يمثل تحديًا مختلفًا لأن القليل من الأصباغ الزرقاء متاحة للأكل في الطبيعة. ومع ذلك ، فإن طائر جايز الأزرق ، وتترا النيون ، وضفادع السهام السامة والعديد من الحيوانات الأخرى وجدت حلاً لا يعتمد على الأصباغ ، وتطوير حيل بصرية لجعل البلوز (وبعض الخضر) بطريقة مختلفة. إنهم يصنعون ما يسمى بالألوان الهيكلية.
تعمل الألوان الهيكلية مثل المرشحات التي تسمح فقط لبعض الأطوال الموجية بالمرور. تختلف آلياتها الضوئية المحددة من نوع لآخر ، لكنها تعمل لأن الهياكل النانومترية في موادها قابلة للمقارنة مع الأطوال الموجية للضوء. تحيد الهياكل ألوان الضوء بشكل مختلف وتؤثر على تأثيرات التداخل.
أوضح ريتشارد بروم ، الخبير في تلوين ريش الطيور في جامعة ييل: “يتعلق الأمر بوجود هياكل صغيرة متعددة تشتت الضوء ، ثم تفاعل تلك الموجات المتناثرة – سيعزز هذا التفاعل بعض الألوان ويقضي على الألوان الأخرى”.
ينتج التقزح الأزرق المذهل لفراشة المورفو الزرقاء عن الطريقة التي تنحرف بها الهياكل في حراشف أجنحتها وتعكس الضوء الأزرق أثناء امتصاص أجزاء أخرى من الطيف.
يتميز هذا الأسلوب الهيكلي للتلوين بميزة القدرة على التكيف: “لا يهم المواد التي تصنعها ، طالما أنها شفافة نوعًا ما” ، أوضح ماتياس كولي ، الذي يدرس المواد البصرية المستوحاة بيولوجيًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا .
غالبًا ما يكون للألوان الهيكلية جاذبية بصرية متألقة للتقزح اللوني. نظرًا لأن الضوء المنعكس من أعلى طبقة بنية اللون يمكن أن يكون خارج الطور مع انعكاس الضوء من الأسفل ، يمكن أن يبدو اللون ساطعًا أو يتحول في تدرج اللون عند النظر إليه من زوايا مختلفة. هذا التأثير مدهش في اللون الأزرق الساطع لفراشات المورفو ، على سبيل المثال. تم نحت المقاييس الموجودة على جناح فراشة مورفو بأخاديد دقيقة مبطنة بنتوءات تشبه الشجرة تنحرف وتعكس موجات الضوء ، مما يجعلها تتداخل مع بعضها البعض بطريقة تنتج اللون الأزرق القزحي.
في دراسة أجريت عام 2015 ، أفاد كولي وزملاؤه عن اكتشافهم لكيفية قيام الرخويات ، وهي الرخويات ذات الأشعة الزرقاء ، بتوليد الخطوط الزرقاء الساطعة المميزة على صدفتها. يتم ترتيب طبقات بلورات كربونات الكالسيوم الشفافة في الغلاف على شكل صفائح مجهرية متعددة ، مع حيود كل طبقة وتعكس شظية من الضوء. تتفاعل موجات الضوء المنعرجة مع بعضها البعض ؛ اعتمادًا على سمك كل طبقة والطول الموجي للضوء ، فإن الموجات إما تضيف أو تلغي. من خلال الحصول على سمك الطبقات بشكل صحيح (100 نانومتر) ، تجعل البطلة جميع الأطوال الموجية باستثناء الزرقاء تلغي بعضها البعض.
تعكس الخطوط الزرقاء المميزة على البطانة الزرقاء (العلوية) ترتيب طبقات من بلورات كربونات الكالسيوم الشفافة في الغلاف.
جوندال. لينغ لي
حيوانات أخرى تستغل ظواهر مماثلة في ألوانها الهيكلية. على سبيل المثال ، إحدى الحيل وراء فن تغيير لون الأخطبوطات ورأسيات الأرجل الأخرى هي أن بعض خلايا الكروماتوفور في جلدها تحتوي على طبقات من البروتينات تسمى الانعكاسات التي يمكن أن تتحول بسرعة من حالة مرتبة إلى حالة مضطربة. من خلال زيادة سماكة تلك الطبقات وتقليلها ، يمكن للحيوانات أن تعكس أطوال موجية مختلفة وتغير الألوان التي تظهر للعالم.
على عكس الأخطبوط ، لا يستطيع البطلينوس تغيير شكل طبقاته بعد وضعها على الأرض. كيف يبني البطلينوس هيكل الطبقات بمثل هذه الدقة هو لغز. قال كولي: “ديناميات علم المواد الكامنة وراءها غير مفهومة بشكل مذهل”. لكن العمل الذي قام به بروم وفينود ساراناثان من كلية Yale-NUS في جامعة سنغافورة الوطنية وآخرون في السنوات الأخيرة حقق تقدمًا في فهم كيفية إنتاج بعض الطيور للألوان الهيكلية وراء ريشها الأزرق اللامع: عملية فصل الطور.
عند التكبير العالي ، فإن الأشواك الملونة (الخيوط) للريش لها بنية رغوية ، مع كرات صغيرة وموحدة من الهواء معلقة في بروتين بيتا كيراتين. يتفاعل الضوء المشتت من كل فقاعة هواء مع الضوء المرتد من الفقاعات المجاورة. قال بروم: “ولأنها الحجم المناسب للقيام بذلك ، فإنها تصنع لونًا أزرق ، أو لونًا فيروزيًا ، أو لونًا فوق بنفسجي”.
تشير الدراسات إلى أنه داخل خلايا ريش الطيور النامي ، يبدأ بيتا كيراتين بالتوزيع في السيتوبلازم المائي. تؤدي التغييرات الكيميائية في الخلية إلى فصل بيتا كيراتين والماء تلقائيًا ، مما يؤدي إلى تكوين قطرات ماء كروية داخل مصفوفة من البروتين المبلمر. بعد موت الخلية ، يتبخر الماء وتمتلئ الفراغات بالهواء ، تاركة حفرة كرة مصغرة من فقاعات الهواء التي تعكس الضوء عند الطول الموجي الصحيح فقط.
يشبه Prum العملية بفتح زجاجة بيرة. قال: “فجأة تحصل على تكثيف – يشكل ثاني أكسيد الكربون المذاب فقاعة ، وتنمو الفقاعة إلى حجم معين ثم تطفو.” “هذه الأشياء تبدو تمامًا مثل رأس الجعة.”
في الريش الأزرق لطائر جايز الأزرق ومعظم الطيور الأخرى ، تكون هذه الفقاعات مضطربة. لكن نوعًا واحدًا على الأقل ، وهو طائر الأوراق أزرق الجناح في جنوب شرق آسيا ، يحصل على اللون الأزرق اللامع لريش كتفه من بلورات الفقاعات المرتبة تمامًا ، كما أفاد ساراناثان وبروم وزملاؤهما في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في 8 يونيو. اكتشف الباحثون بلورات الغدة الدرقية هذه عندما وضعوا ريش طائر الأوراق تحت حزمة أشعة سينية قوية في مختبر أرجون الوطني.
الغدة الدرقية ، السطح الأدنى المستمر الذي يشكل بنية دورية للغاية ، هو بمعنى ما عكس الكرة: في حين أن الكرة لها انحناء إيجابي موحد ، فإن الغدة الدرقية هي جسم على شكل سرج مع انحناء سلبي موحد. تتمثل إحدى ميزاته الخاصة في أنه يقسم المساحة إلى متاهتين من أنظمة الأنفاق ، مفصولة بغشاء ، يعكس كل منهما الآخر تمامًا.
عندما تمتلئ مجموعتا الأنفاق بسائل داخل خلية حية ، يُعرف الهيكل باسم الغدة الدرقية المزدوجة. عندما يتم ملء مجموعة واحدة فقط من الأنفاق ، يكون الهيكل عبارة عن الغدة الدرقية المفردة.
يتم إنتاج الترتيب الدوري للفقاعات النانوية في ريش طائر الأوراق (أعلى) من خلال النمو الذاتي التنظيم لهيكل الغدة الدرقية (على اليمين) داخل أشواك الريش.
تعرض بلورات الغدة الدرقية المفردة لطائر الأوراق نفس الخاصية البصرية لطبقات البطلينوس. أوضح بودو ويلتس ، عالم فيزياء المواد اللينة في معهد أدولف ميركل في فريبورغ ، سويسرا: “لديك تغييرات دورية محلية في معامل الانكسار” ، أو ترتيب دوري لمواد مختلفة تشتت الضوء.
سبق أن شوهدت الغدة الدرقية المنفردة في الطبيعة فقط في بعض حراشف الفراشات ، كما ورد في عام 2010 من قبل ساراناثان وبروم وزملاؤهم. أظهر جيرد شرودر تورك ، الذي يدرس المواد الحيوية في جامعة مردوخ في أستراليا ، وزملاؤه أنه عندما تتطور هذه المقاييس ، فإن الغشاء الشبكي الإندوبلازمي في خلايا المقياس يشكل صفيحة بها سائل على كلا الجانبين ، مما يؤدي إلى تكوين الغدة الدرقية المزدوجة. ثم يمتلئ أحد الأنفاق بالكيتين ويتجمد. عندما تموت الخلايا ، فإنها تترك وراءها الغدة الدرقية واحدة.
يعتقد الباحثون أن عملية التشكيل أو القوالب هذه هي الطريقة الوحيدة التي يمكن أن تتشكل بها الغدة الدرقية المفردة في الطبيعة. بدلاً من ذلك ، تشير الدلائل إلى أن طائر الأوراق يصنع الغدة الدرقية بالطريقة نفسها التي تجعل من أقربائها القيق الأزرق حفرًا كروية مضطربة من الفقاعات – عن طريق فصل الطور. يقول ساراناثان وبروم إنه شيء لا يمكن توقعه بناءً على نظرية موجودة في فيزياء المواد اللينة.
يشير الاكتشاف إلى أن بلورات كهذه يمكن أن تتجمع ذاتيًا ، وهو ما يشجع المهندسين الذين يبحثون عن طرق أفضل لصنع مواد للتطبيقات الضوئية. لنقل الضوء الأزرق بشكل أكثر كفاءة ، على سبيل المثال ، يمكن تبطين كابل من الألياف الضوئية بنوع من المادة العاكسة للأزرق الموجودة في طائر الأوراق بحيث لا تتمكن الفوتونات الزرقاء من الهروب.
قال بروم: “جميع الألياف الضوئية التي يتم تصنيعها الآن بشق الأنفس باستخدام الهندسة الدقيقة – تقوم الطيور بذلك عن طريق التجميع الذاتي”. إن تعلم كيفية تطوير أجهزة فوتونية مجمعة ذاتيًا “سيكون توفيرًا حقيقيًا في التكلفة”.
يوافق كولي على ذلك. في العام الماضي في Nature Photonics ، وصف هو وفريقه طريقة محسنة للتصوير المجهري للمجال المظلم تستخدم مادة مستوحاة من حراشف أجنحة فراشات بابيليو. وهو الآن يعمل مع أحد الطلاب لملاحظة كيفية نحت الأخاديد ذات المقياس النانوي في حراشف أجنحة فراشة السيدة المرسومة. يجب أن يفتح فهم العملية في هذا النوع كيفية تطور بنية المقياس الأساسية في معظم الفراشات. “آمل أن تكون هناك مبادئ بيوميكانيكية … يمكننا تطبيقها لصنع هذه المواد في نظام مواد مختلف تمامًا” ، .
المصدر كوانتا