나비의 날개를 문지르면 미세한 가루가 뿌려져 사라질 것입니다. 이 나비목 먼지는 아주 미세한 비늘로 구성되어 있으며, 그 중 수십만 개는 얇은 지붕의 대상 포진처럼 나비의 날개를 종이로 덮고 있습니다. 이 비늘의 구조와 배열은 나비에 색과 반짝임을 부여하고 요소로부터 곤충을 보호하는 데 도움이 됩니다.

이제 MIT 엔지니어들은 변태 동안 형성되는 나비 비늘의 복잡한 안무를 포착했습니다. 연구팀은 번데기 내부에서 나비 변형이 발달하면서 날개 비늘이 성장하고 조립되는 것을 처음으로 지속적으로 관찰했습니다.

약간의 작은 수술과 영리한 이미징 접근 방식으로 연구자들은 날개 비늘이 표본에서 형성되는 것을 관찰할 수 있었습니다. 바네사 카두이, 일반적으로 Painted Lady 나비로 알려져 있습니다. 그들은 날개가 형성될 때 표면의 세포가 자라면서 질서정연하게 줄을 서는 것을 관찰했습니다. 이 세포는 "덮개"와 "지면" 비늘이 교대로 빠르게 분화하여 겹치는 지붕 널과 같은 패턴을 생성합니다. 그들이 전체 크기에 도달함에 따라 비늘은 길이를 따라 가는 능선을 돋우는데, 이는 곤충의 색을 조절하고 비와 습기를 흘리는 데 도움이 되는 작은 주름진 특징입니다.

오늘 발표된 연구팀의 연구 과학 국립 아카데미의 절차, 나비 비늘의 싹트기 아키텍처에 대한 가장 자세한 모습을 제공합니다. 새로운 시각화는 또한 무지개 빛깔의 창 및 방수 직물과 같은 새로운 기능 재료를 설계하기 위한 청사진 역할을 할 수 있습니다.

"나비 날개는 날개 비늘의 구조적 아키텍처를 정확하게 형성함으로써 많은 속성을 제어합니다."라고 MIT 기계 공학과의 연구 조교인 주저자인 Anthony McDougal이 말했습니다. "이 전략은 예를 들어 자동차와 건물에 색상과 자체 청소 특성을 모두 부여하는 데 사용할 수 있습니다. 이제 우리는 이러한 복잡한 마이크로 나노구조 물질에 대한 나비의 구조적 제어로부터 배울 수 있습니다.”

McDougal의 MIT 공저에는 박사후 연구원 강성삼, 연구 과학자 Zahid Yaqoob, 기계 공학 및 생물 공학 교수 Peter So, 기계 공학 Mathias Kolle 부교수가 있습니다.

반딧불이 들판

나비 날개의 단면은 구조와 배열이 종마다 다른 복잡한 비늘과 갈비뼈의 비계를 보여줍니다. 이 미세한 특징은 나비의 색과 빛을 주기 위해 빛을 반사하는 작은 반사체 역할을 합니다. 날개 비늘의 능선은 소형 빗물 받이 및 방열기 역할을 하여 곤충을 시원하고 건조하게 유지하기 위해 습기와 열을 전달합니다.

연구원들은 새로운 태양 전지 및 광학 센서, 비 및 내열성 표면, 심지어 위조를 방지하기 위해 무지개 빛깔의 암호화로 패턴화된 지폐를 설계하기 위해 나비 날개의 광학 및 구조적 특성을 복제하려고 시도했습니다. 나비가 비늘을 키우기 위해 어떤 과정을 사용하는지 아는 것은 이러한 종류의 생체 영감 기술 개발을 더욱 지시하는 데 도움이 될 수 있습니다.

현재, 비늘 형성에 대해 알려진 것은 나비 날개가 발달하고 성숙하는 정지 이미지를 기반으로 합니다.

“이전 연구는 개발의 일부 단계에서 강력한 스냅샷을 제공합니다. 불행히도 그들은 규모 구조가 성장함에 따라 일어나는 일의 연속적인 타임라인과 순서를 밝히지 않습니다.”라고 Kolle은 말합니다. "더 잘 이해하려면 더 많이 볼 필요가 있었습니다."

그들의 새로운 연구에서 그와 그의 동료들은 살아 있는 변태 나비에서 비늘이 어떻게 성장하고 모이는지 지속적으로 관찰했습니다. 그들은 표본을 연구하기로 결정했습니다. 바네사 카두이, 나비의 날개에는 대부분의 나비목 종에서 공통적인 특징이 있습니다.

팀은 개별 컨테이너에서 Painted Lady 애벌레를 키웠습니다. 각 애벌레가 변태의 시작을 나타내는 번데기 안에 갇히면 연구자들은 종이처럼 얇은 물질을 조심스럽게 자르고 작은 사각형 큐티클을 벗겨내거나 발달 중인 날개를 덮고 아래에서 자라는 비늘을 노출시켰습니다. 그런 다음 그들은 생체접착제를 사용하여 개구부 위에 투명한 커버슬립을 붙여 나비와 비늘이 계속 형성되는 것을 볼 수 있는 창을 만들었습니다.

이러한 변환을 시각화하기 위해 Kolle와 McDougal은 speckle-correlation 반사 위상 현미경이라는 이미징 유형의 전문가인 Kang, Yaqoob 및 So와 협력했습니다. 섬세한 세포에 광독성을 일으킬 수 있는 넓은 광선을 날개에 비추는 대신, 연구팀은 "스펙클 필드(speckle field)"를 적용했다. 각각의 작은 빛의 반사는 필드의 다른 모든 지점과 병렬로 측정되어 날개 구조의 상세한 XNUMX차원 지도를 신속하게 생성할 수 있습니다.

"얼룩덜룩한 필드는 조명 포인트 필드를 생성하는 수천 개의 반딧불이와 같습니다."라고 So는 말합니다. "이 방법을 사용하면 서로 다른 레이어에서 오는 빛을 분리하고 정보를 재구성하여 구조를 3D로 효율적으로 매핑할 수 있습니다."

연결하기

성장하는 나비 날개의 시각화에서 팀은 마이크로미터 크기의 비늘에서 개별 비늘의 더 미세한 나노미터 높이의 융기 부분에 이르기까지 매우 상세한 특징이 형성되는 것을 관찰했습니다.

그들은 며칠 안에 세포가 빠르게 일렬로 늘어서고 얼마 지나지 않아 덮개 비늘(날개 위에 있는 것)과 땅 비늘(아래에 자리 잡은 것)의 교대 패턴으로 분화되는 것을 관찰했습니다. 그들이 최종 크기에 도달함에 따라, 각 비늘은 작고 골판지 지붕을 닮은 길고 가는 능선이 되었습니다.

McDougal은 "이러한 단계의 많은 부분이 이전에 이해되고 보았지만 이제는 모든 단계를 연결하고 계속해서 무슨 일이 일어나는지 관찰할 수 있으므로 비늘이 어떻게 형성되는지에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있습니다."라고 말합니다.

흥미롭게도 연구팀은 비늘의 능선이 예상치 못한 방식으로 형성되었음을 발견했습니다. 과학자들은 이 홈이 압축의 결과라고 가정했습니다. 비늘이 자라면서 아코디언처럼 조여지는 것으로 생각되었습니다. 그러나 팀의 시각화에 따르면 압축될 때 재료가 수축하는 것처럼 축소되는 대신 표면에 융기선이 나타날 때 비늘의 크기가 계속 커집니다. 이러한 측정은 또 다른 융기 형성 메커니즘이 작동해야 함을 시사합니다. 이 그룹은 새로운 기능 재료의 디자인을 알리는 데 도움이 될 수 있는 개발 중인 나비 날개의 이 프로세스와 다른 프로세스를 탐색하기를 희망합니다.

McDougal은 “이 논문은 나비 날개의 표면에 무엇이 있는지에 초점을 맞추고 있습니다. “그러나 표면 아래에는 세포가 당근과 같은 뿌리를 내리고 다른 뿌리로 연결되는 것을 볼 수 있습니다. 세포가 조직화됨에 따라 표면 아래에는 통신이 있습니다. 그리고 표면에는 비늘 자체의 특징과 함께 비늘이 형성되고 있습니다. 우리는 그 모든 것을 시각화할 수 있는데, 이는 보기에 정말 아름답습니다.”

이 연구는 부분적으로 국립과학재단의 지원을 받았습니다.