Wenn Sie über die Flügel eines Schmetterlings streichen, werden Sie wahrscheinlich mit einer feinen Prise Puder davonkommen. Dieser Schmetterlingsstaub besteht aus winzigen mikroskopischen Schuppen, von denen Hunderttausende Schmetterlingsflügel wie Schindeln auf einem hauchdünnen Dach papiern. Die Struktur und Anordnung dieser Schuppen verleiht einem Schmetterling seine Farbe und seinen Schimmer und trägt dazu bei, das Insekt vor den Elementen zu schützen.

Jetzt haben MIT-Ingenieure die komplizierte Choreographie von Schmetterlingsschuppen eingefangen, die sich während der Metamorphose bilden. Das Team hat zum ersten Mal kontinuierlich beobachtet, wie sich die Flügelschuppen wachsen und zusammensetzen, während sich ein sich entwickelnder Schmetterling in seiner Puppe verwandelt.

Mit einigen kleineren Eingriffen und einem cleveren bildgebenden Ansatz konnten die Forscher die Bildung von Flügelschuppen in Exemplaren von Vanessa Cardui, allgemein bekannt als der Schmetterling der Distelfalter. Sie beobachteten, dass sich bei der Flügelbildung Zellen auf seiner Oberfläche in geordneten Reihen aufreihen, während sie wachsen. Diese Zellen differenzieren sich schnell in abwechselnde „Bedeckungs“- und „Grund“-Schuppen, wodurch ein überlappendes schindelartiges Muster entsteht. Wenn sie ihre volle Größe erreichen, sprießen die Schuppen entlang ihrer Länge dünne Rippen – winzige gewellte Merkmale, die die Farbe des Insekts kontrollieren und ihm helfen, Regen und Feuchtigkeit abzuleiten.

Die Studie des Teams, die heute im Proceedings of the National Academy of Sciences, bietet den bisher detailliertesten Blick auf die aufkeimende Architektur von Schmetterlingsschuppen. Die neuen Visualisierungen könnten auch als Blaupause für die Gestaltung neuer Funktionsmaterialien dienen, wie zum Beispiel schillernde Fenster und wasserdichte Textilien.

„Schmetterlingsflügel steuern viele ihrer Eigenschaften, indem sie die strukturelle Architektur ihrer Flügelschuppen präzise formen“, sagt Hauptautor Anthony McDougal, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Department of Mechanical Engineering des MIT. „Diese Strategie könnte zum Beispiel verwendet werden, um Autos und Gebäuden sowohl Farbe als auch selbstreinigende Eigenschaften zu verleihen. Jetzt können wir von der strukturellen Kontrolle dieser komplexen, mikronanostrukturierten Materialien durch Schmetterlinge lernen.“

Zu McDougals Co-Autoren am MIT gehören der Postdoc Sungsam Kang, der Forscher Zahid Yaqoob, der Professor für Maschinenbau und Bioingenieurwesen Peter So und der außerordentliche Professor für Maschinenbau Mathias Kolle.

Ein Glühwürmchenfeld

Der Querschnitt eines Schmetterlingsflügels zeigt ein kompliziertes Gerüst aus Schuppen und Rippen, dessen Struktur und Anordnung von Art zu Art variiert. Diese mikroskopischen Merkmale fungieren als winzige Reflektoren, die das Licht reflektieren, um einem Schmetterling seine Farbe und seinen Glanz zu verleihen. Die Rippen auf den Schuppen eines Flügels dienen als Miniatur-Regenrinnen und Heizkörper, die Feuchtigkeit und Wärme leiten, um das Insekt kühl und trocken zu halten.

Forscher haben versucht, die optischen und strukturellen Eigenschaften von Schmetterlingsflügeln zu replizieren, um neue Solarzellen und optische Sensoren, regen- und hitzebeständige Oberflächen und sogar Geldscheine mit schillernden Verschlüsselungen zu entwickeln, um Fälschungen zu verhindern. Zu wissen, welche Prozesse Schmetterlinge nutzen, um ihre Schuppen zu vergrößern, könnte dazu beitragen, diese Art der bioinspirierten Technologieentwicklung weiter zu lenken.

Was derzeit über die Schuppenbildung bekannt ist, basiert auf Standbildern von sich entwickelnden und reifen Schmetterlingsflügeln.

„Frühere Studien liefern überzeugende Momentaufnahmen in ausgewählten Entwicklungsstadien; Leider zeigen sie nicht die kontinuierliche Zeitachse und Abfolge dessen, was passiert, wenn Skalenstrukturen wachsen“, sagt Kolle. "Wir mussten mehr sehen, um es besser zu verstehen."

In ihrer neuen Studie wollten er und seine Kollegen kontinuierlich beobachten, wie Schuppen in einem lebenden, sich wandelnden Schmetterling wachsen und sich zusammensetzen. Sie entschieden sich, Exemplare von zu studieren Vanessa Cardui, da die Flügel des Schmetterlings Merkmale aufweisen, die bei den meisten Lepidoptera-Arten üblich sind.

Das Team zog Painted Lady Raupen in einzelnen Containern auf. Nachdem sich jede Raupe in eine Puppe eingehüllt hatte, was den Beginn ihrer Metamorphose anzeigte, schnitten die Forscher vorsichtig in das hauchdünne Material und schälten ein kleines Quadrat der Kutikula oder Abdeckung des sich entwickelnden Flügels ab, wodurch die darunter gewachsenen Schuppen freigelegt wurden. Anschließend klebten sie mit einem Biokleber ein transparentes Deckglas über die Öffnung und schufen so ein Fenster, durch das sie beobachten konnten, wie sich der Schmetterling und seine Schuppen weiter bildeten.

Um diese Transformation zu visualisieren, haben sich Kolle und McDougal mit Kang, Yaqoob und So zusammengetan – Experten für eine Art der Bildgebung, die als Speckle-Korrelations-Reflexionsphasenmikroskopie bezeichnet wird. Anstatt einen breiten Lichtstrahl auf den Flügel zu richten, der für die empfindlichen Zellen phototoxisch sein könnte, wendete das Team ein „Speckle Field“ an – viele kleine Lichtpunkte, von denen jeder auf einen bestimmten Punkt des Flügels strahlt. Die Reflexion jedes winzigen Lichts kann parallel zu jedem anderen Punkt im Feld gemessen werden, um schnell eine detaillierte, dreidimensionale Karte der Flügelstrukturen zu erstellen.

„Ein gesprenkeltes Feld ist wie Tausende von Glühwürmchen, die ein Feld von Beleuchtungspunkten erzeugen“, sagt So. „Mit dieser Methode können wir das Licht aus verschiedenen Schichten isolieren und die Informationen rekonstruieren, um eine Struktur effizient in 3D abzubilden.“

Verbindungen herstellen

In ihren Visualisierungen des wachsenden Schmetterlingsflügels beobachtete das Team die Bildung hochdetaillierter Merkmale, von mikrometergroßen Skalen bis hin zu noch feineren, nanometerhohen Grate auf einzelnen Skalen.

Sie beobachteten, dass sich die Zellen innerhalb von Tagen schnell in Reihen aufstellten und sich bald darauf in einem abwechselnden Muster von Deckschuppen (die über dem Flügel liegenden) und Bodenschuppen (die darunter versteckten) differenzierten. Als sie ihre endgültige Größe erreichten, wuchs jede Schuppen zu langen, dünnen Kämmen, die an winzige Wellblechdächer erinnerten.

„Viele dieser Phasen wurden schon früher verstanden und gesehen, aber jetzt können wir sie alle zusammenfügen und kontinuierlich beobachten, was passiert, was uns mehr Informationen über die Einzelheiten der Schuppenbildung gibt“, sagt McDougal.

Interessanterweise stellte das Team fest, dass sich Grate auf Schuppen auf unerwartete Weise bildeten. Wissenschaftler waren davon ausgegangen, dass diese Rillen eine Folge der Kompression sind: Wenn die Tonleitern wachsen, sollen sie sich wie eine Ziehharmonika zusammendrücken. Die Visualisierungen des Teams zeigten jedoch, dass die Schuppen nicht wie jedes Material beim Komprimieren schrumpfen, sondern weiter wuchsen, wenn auf ihrer Oberfläche Grate auftauchten. Diese Messungen lassen vermuten, dass ein anderer rippenbildender Mechanismus am Werk sein muss. Die Gruppe hofft, diesen und andere Prozesse im sich entwickelnden Schmetterlingsflügel zu erforschen, die dazu beitragen können, das Design neuer funktionaler Materialien zu beeinflussen.

„Dieses Papier konzentriert sich auf das, was sich auf der Oberfläche des Schmetterlingsflügels befindet“, bemerkt McDougal. „Aber unter der Oberfläche können wir auch Zellen sehen, die wie Karotten Wurzeln schlagen und Verbindungen zu anderen Wurzeln aussenden. Es gibt Kommunikation unter der Oberfläche, während sich Zellen organisieren. Und an der Oberfläche bilden sich Schuppen, zusammen mit Merkmalen auf den Schuppen selbst. Wir können das alles visualisieren, was wirklich schön anzusehen ist.“

Diese Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation unterstützt.