- De bladspringer is de enige diersoort die brochosomen afscheidt: zeldzame nanodeeltjes met onzichtbaarheidseigenschappen.
- Voor het eerst heeft nu ook een groep wetenschappers synthetische brochosomen gemaakt.
- Ze hopen dat brochosomen ooit zullen worden gebruikt voor onzichtbaarheid en andere toepassingen.
- Lees ook: Amerikaanse multimiljonair wijdt leven aan verlaging van zijn ‘biologische leeftijd’: zo veranderde z’n gezicht tussen 2018 en 2024
We hebben de neiging om onzichtbaarheidsmantels als science fiction te beschouwen. Maar een groep wetenschappers heeft een grote stap gezet om ze werkelijkheid te maken.
Wetenschappers van de Pennsylvania State University hebben voor het eerst synthetische replica’s gemaakt van brochosomen, in de natuur voorkomende nanodeeltjes die ooit zouden kunnen worden gebruikt om onzichtbaarheidsmantels te maken.
Onzichtbaarheid is niet de enige toepassing voor synthetische brochosomen. In de komende jaren zouden ze kunnen worden gebruikt voor een reeks commerciële toepassingen – van zonne-energie tot farmaceutische producten. Dat zegt hoofdonderzoeker Tak Sing Wong, hoogleraar werktuigbouwkunde en biomedische technologie aan de Penn State University.
Het oplossen van een 70 jaar oud geometrisch mysterie
Brochosomen zijn holle, open nanodeeltjes met de structuur van een voetbal waar gaten in zitten die er helemaal doorheen gaan. Door deze complexe structuur kunnen ze bepaalde golflengten van licht absorberen of verstrooien, afhankelijk van de grootte van het brochosoom en de gaten.
De enige plek ter wereld waar je brochosomen in de natuur kunt vinden, is op de rug van een bladspringer – een veel voorkomend insect. Hun brochosoommantels werden voor het eerst ontdekt in de jaren vijftig en zorgen waarschijnlijk voor hun schutkleur.
Wetenschappers weten niet zeker waarom bladspringers brochosomen afscheiden en zichzelf er mee bedekken. Tot nu toe begrepen ze zelfs het doel van de ingewikkelde geometrie van de nanodeeltjes niet.
"Dit is echt het eerste onderzoek dat ingaat op de vraag hoe de complexe geometrie van het brochosoom en licht op elkaar inwerken", aldus Wong.
Om daar inzicht in te krijgen moesten Wong en zijn collega's uitzoeken hoe ze een replica van een brochosoom konden maken. Na bijna tien jaar onderzoek slaagden ze erin om 's werelds eerste synthetische brochosomen in 3D te printen.
De onzichtbaarheidseigenschappen van brochosomen
Er zijn twee belangrijke elementen van de brochosoomgeometrie: de diameter van het deeltje en de diameter van de doorgaande gaten.
Als de golflengte van het licht dezelfde lengte heeft als de diameter van de brochosomen, wordt het in alle richtingen verstrooid zodra het het deeltje raakt. Maar als de golflengte van het licht dezelfde lengte heeft als de diameter van de doorgaande gaten in de brochosomen, gaat het door het deeltje heen en wordt het er door geabsorbeerd.
Deze absorptie in combinatie met lichtverstrooiing betekent dat brochosomen een zeer beperkte lichtreflectie hebben – en onzichtbaar kunnen zijn in bepaalde delen van het elektromagnetische spectrum. Als je een voorwerp ermee bedekt, zou dat in theorie kunnen werken als een onzichtbaarheidsmantel.
Het mooie van synthetische brochosomen is dat ze in verschillende afmetingen kunnen worden gemaakt, en dus kunnen worden aangepast om verschillende golflengten over het elektromagnetische spectrum te absorberen en te verspreiden. Dat betekent dat ingenieurs brochosomen kunnen aanpassen voor specifieke functies, zoals onzichtbaarheid voor infraroodstraling om te helpen bij militaire verdediging.
De brochosomen van Wong hebben de juiste maat om dat te doen. Ze zijn ongeveer 40 tot 50 keer groter dan in de natuur voorkomende soorten, en ze hebben alleen wisselwerking met infraroodstraling.
Het toekomstige onderzoek van Wong zal zich gedeeltelijk richten op het maken van kleinere synthetische brochosomen die zich op het kortere uiteinde van het elektromagnetische spectrum kunnen richten.
Het commerciële potentieel van brochosomen
Hoewel de synthetische brochosomen van Wong een grote stap betekenen in de richting van de technologie van onzichtbaarheidsmantels, zijn wetenschappers nog tientallen jaren verwijderd van het op de markt brengen ervan.
"Ik denk dat het tijdens mijn leven mogelijk is", zegt Hao Xin, hoogleraar elektrische en computertechniek en natuurkunde aan de Universiteit van Arizona, die niet bij het onderzoek betrokken was. Volgens hem zal het minstens vijftig jaar duren.
Maar binnen slechts drie tot vijf jaar hoopt Wong brochosomen op voldoende schaal te produceren om ze te gebruiken in pigmenten, farmaceutische producten en zonnepanelen.
Titaniumoxide, een wit pigment dat in van alles wordt gebruikt, van snoep tot zonnebrandcrème, werd bijvoorbeeld onlangs door de Europese Unie verboden als toevoegingsmiddel. Wong gelooft dat brochosomen uiteindelijk titaniumoxide zouden kunnen vervangen in voedingsmiddelen zoals snoep en koffiecreamers.
"Er kunnen veel coole toepassingen uit brochosomen komen," aldus Wong.
