자연에서 배우다 – 나뭇잎을 먹는 곤충의 도움으로 빛을 조작하기

펜실베이니아 주립대 연구진이 주도한 새로운 연구에 따르면 우리 뒤뜰에서 흔히 발견되는 나뭇잎을 먹는 곤충이 분비하는 작은 입자는 차세대 기술을 개발하는 데 도움이 될 수 있다.

미국 국립과학아카데미 저널(PNAS)에 최근 발표된 연구에서 연구진은 처음으로 나뭇잎을 먹는 곤충이 분비하는 미스터리한 입자인 브로코솜의 복잡한 기하학적 구조와 빛을 흡수하는 방식을 정확하게 복제하는데 성공했다.

많은 자연 기능 물질은 생물학적 표면의 필수적인 부분인 계층적 미세 및 나노 구조로 구성된다. 나뭇잎을 먹는 곤충은 특히 브로코솜을 분비하고 그들을 신체 표면에 사용한다.

브로코솜은 나뭇잎을 먹는 곤충이 생산하는 버키볼 모양의 구형 입자로 중공이 있다. 그들은 중공이 있고 나노 스케일로极도로 작다. 이는 1억 분의 1미터에 해당한다. 이들 수용성 입자는 나뭇잎을 먹는 곤충에 의해 분비되고 그들의 신체 표면에서 발견된다.

브로코솜은 1950년대에 처음 발견되었지만 여전히 브로코솜의 기하학적 구조의 기능적 중요성을 이해하지 못하고 있다. 이 연구는 이를 바꾸려는 것을 목표로 한다.

펜실베이니아 주립대 생물의학 및 기계공학 교수인 Tak-Sing Wong이 이 연구를 주도했다. 브로코솜의 중공은 빛의 반사를 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 이는 짧은 파장의 저지통 반사 기능을 보여주는 최초의 생물학적 예시이다. 이는 특정 파장 범위에서 반사를 줄이는 광학 코팅을 말한다.

브로코솜의 고유한 기하학적 구조는 생물학적 구조에서 영감을 받은 광학 물질을 개발하는 데 사용될 수 있다.

이 개발은 반사 방지 모스아이 효과와 다르다. 이는 태양 전지판, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터 등에 사용되는 매우 효과적인 코팅을 개발하는데 영감을 주었다. 개구里的 눈은 표면의 주기적인 나노 스케일 구조로 인해 비반사적이다. 따라서 빛은 반사되는 대신 눈으로 전달된다.

따라서 나뭇잎을 먹는 곤충의 브로코솜은 생물학적 광학 조작을 위한 별개의 접근 방식을 제공한다. 이는 코팅, 투명 클로킹 장치, 더 효율적인 태양 에너지 수확 등 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다.

브로코솜의 복잡한 구조 복제

브로코솜의 고유한 기하학적 구조를 이해하는 데 한계가 있었기 때문에 펜실베이니아 주립대 연구진은 이 연구를 수행했다. 브로코솜의 일관된 존재와 다양한 나뭇잎을 먹는 곤충 종에서 그들의 크기와 중공에 대한 불확실성으로 인해 연구진은 이들 미스터리를 풀고 그들의 중요성을 밝히는 것을 목표로 했다.

연구진은 이미 2017년에 브로코솜의 합성 버전을 개발하여 그들의 기능을 더 잘 이해하기 위해 노력했다.

브로코솜을 실험실에서 만드는 것은 어려운 과제였다. 그들은 이미 오래전부터 알려졌지만 그들의 기하학적 구조의 복잡성으로 인해 합성 버전을 만들 수 없었다. 또한 나뭇잎을 먹는 곤충이 왜 그렇게 복잡한 구조의 입자를 분비하는지에 대한 이유도 불분명했다.

과거에 브로코솜의 특징인 점과 그 분포를 합성 물질을 사용하여 모방하는데 성공했지만 정확한 복제본을 만들 수 없었다. 이제는 처음으로 연구진이 자연스러운 브로코솜의 정확한 기하학적 구조를 20,000 나노미터 크기로 복제하는데 성공했다.

이들 복잡한 구조를 실험실에서 만들기 위해 연구진은 고기술 3차원 인쇄 방법을 사용했다. 2광자 중합(2PP) 3차원 인쇄를 사용하여 브로코솜의 고충실도 합성 버전을 제작했다.

연구에 따르면 최고의 3차원 인쇄기는 200 nm에서 500 nm의 해상도로 객체를 만들 수 있지만 자연스러운 브로코솜의 나노 스케일 기하학적 구조를 복제하는데 부족하다. 따라서 연구진은 스케일 모델 기법을 사용하고 미세한 합성 브로코솜을 모델 시스템으로 제작했다.

합성 브로코솜과 중공은 각각 약 20 µm와 5 µm의 직경으로 설계되어 인쇄된 구조가 3차원 인쇄기의 해상도보다 훨씬 크다. 결과 구조는 12개의 오각형 중공과 20개의 육각형 중공이 중공 코어를 통해 연결되었다. 壳의 두께는 전체 직경의 7%였으며 중공 벽의 두께는 20%로 자연스러운 브로코솜을 모방했다.

제작된 샘플은 20 x 20의 합성 브로코솜으로 구성된 HCP 격자로 약 91%의 패킹 밀도를 보였다. 통제 샘플은 중공 구조가 없는 것도 제작되었다.

연구진은 브로코솜의 광학적 형태-기능 관계를 조사하여 브로코솜의 계층적 기하학적 구조가 중공 구조와 함께 광 반사를 크게 줄이도록 설계되었다는 것을 보여주었다.

연구진은 브로코솜이 어떻게 다른 파장의 적외선 광과 상호작용하는지 조사하기 위해 마이크로-푸리에 변환 적외선 분광기(FTIR 분광기)를 사용하여 빛이 구조에 의해 어떻게 조작되는지 이해했다.

실험실에서 제작된 입자는 최대 94%의 광 반사를 줄일 수 있는 것으로 나타났으며 이는 자연에서 입자가 특정한 방식으로 빛을 조작하는 첫 번째 사례이다.

이 발견은 또한 나뭇잎을 먹는 곤충이 브로코솜을 사용하여 자기를 은폐하여 포식자로부터 피할 수 있다는 가능성을 시사한다. 이는 이전의 이론과 다르며 나뭇잎을 먹는 곤충이 브로코솜을 사용하여 물과 오염물질로부터 자신을 보호한다고 주장했다.

또한 연구진은 브로코솜의 중공과 구형 구조가 두 가지 목적을 수행한다는 것을 발견했다. 즉, 자외선 광을 흡수하고 가시광선을 산란시킨다.

브로코솜의 크기는 나뭇잎을 먹는 곤충의 종에 관계없이 일관성이 있다. 즉, 브로코솜은 약 600 나노미터의 직경이고 구멍은 약 200 나노미터이다.

이 일관성은 자외선 광을 흡수하여 포식자로부터 나뭇잎을 먹는 곤충을 은폐한다. 또한 가시광선의 산란은 잠재적인 위협에 대한 반사 방지 방패를 생성한다.

놀라운 잠재적 응용 분야

연구는 자연에서 배우는 것의 중요성을 보여준다. 하지만 이것은 새로운 현상이 아니다. 인간은 시간의 시작부터 자연에서 영감을 받았다.

과거에는 고대 그리스人が 건물의 비율을 황금 비율에 따라 설계했다. 19세기에는 콜로라도의 스페인 정착민들이 콜롬비아 땅다람쥐의 굴의 깊이를 이용하여 지상에 집을 지었다.最近에는 과학자들이 곤충의 균형 시스템을 역공학으로 해석하여 더 안정적인 로봇을 설계했다.

도마뱀은 특히 로봇 공학 분야에서 영감의 좋은 출처이다. 워터루 대학교의 엔지니어들은 도마뱀과 인치웜의 효율적인 이동을 연구하여 작은 크로깅 로봇을 제작했다. 이 로봇은 언젠가 의사들이 수술을 수행하는 데 도움이 될 수 있다.

마克斯 플랑크 그룹은 도마뱀의 경쾌한 착륙에서 얻은 통찰력을 활용하여 로봇 항공기를 더 규율 있는 착륙으로 만들고자 한다. 나사도 도마뱀에서 영감을 받았다. 그들의 도마뱀 접착제는 이미 국제 우주 정거장에서 테스트 중이다. 보스턴 다이내믹스의 RiSE 로봇은 도마뱀 발을 모방하여 자연의 지혜가 어떻게 놀라운 발명과 제품으로 사용될 수 있는지 보여준다.

자연에서 영감을 받은 제품을 개발한 몇 가지 회사들을 살펴보자.

#1. 벨크로 산업

1941년에 스위스 엔지니어이자 기업가인 조지 드 메스트랄은 벨크로를 발명했다. 이는 자신과 그의 개에서 발견한 가시에서 영감을 받았다. 가시를 현미경으로 조사한 그는 간단하지만 지능적인 메커니즘을 발견했다. 즉, 작은 후크와 패브릭 루프가 가시를 표면에 단단히 고정시킨다. 이것은 잠재적인 고정장치를 복제하도록 이끌었다.

벨크로의 ALFA-LOK 패스트너는 또한 버섯의 고유한 구조에서 영감을 받았다. 패스트너는 작은 버섯 모양의 후크를 특징으로 하며 이는 작은 우산 모양의 꼭지로 작은 포자들을 덮고 보호한다. 각 후크의 꼭지에는 안전한 닫기를 도와주는 모자 같은 것이 있다.

자연에서 영감을 받은 벨크로는 유아 기저귀를 고정하고 달에 보내고 다양한 산업에서 사용되는 2,000개 이상의 특허를 개발했다. 오늘날 벨크로는 일반적인 용어가 되었으며 컴퓨팅, 의료, 자동차 산업 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

#2. 샤클릿 기술

이 회사는 박테리아와 미생물의 성장을 억제하는 표면을 개발하여 의료 환경에서 사용된다. 이는 강한 화학물질이나 항생제를 사용하는 대신 표면의 구조에서 얻은 항박테리아 특성을 활용한다.

이들 표면은 상어 피부의 질감에서 영감을 받은 미세한 패턴을 특징으로 한다. 이는 거의 3 마이크론 높이와 2 마이크론 너비로 맨눈이나 손가락으로는 감지할 수 없다. 회사는 양의 패턴과 음의 패턴을 갖는 여러 가지 샤클릿 마이크로 패턴을 개발했다.

이 패턴은 2002年に 물리학 및 재료과학 교수인 앤서니 브레نان이 배와 잠수함의 선체에서 조류를 방지하는 문제를 해결하려고 할 때 나타났다. 상어 피부의 인상을 전자 현미경으로 조사했을 때 그는 그것이 미세한 리블릿이 있는 다이아몬드 패턴으로 되어 있으며 미생물의 정착을 방지한다는 것을 발견했다.

#3. 바이오메이슨

인프라 분야에서 이 회사는 시멘트를 생산하기 위해 생체 모방을 사용하고 있다. 시멘트는全球적으로 이산화탄소 배출의 8%를 차지한다. 시멘트 수요가 증가함에 따라 건설의 기후 영향을 줄이기 위해 바이오메이슨은 시멘트 생산 방식을 변경했다.

회사는 다른 회사에 기술을 판매하며 자연의 가장 강하고 지속적인 구조 중 하나인 산호초에서 영감을 받았다. 바이오메이슨은 석회를 가열하여 석회를 추출하는 대신 조개와 산호초에서 발견되는 석회석의 자연적인 형성을 모방하는 과정을 사용한다.

회사는 이제 건물용 강하고 지속 가능한 재료를 개발하기 위해 생체 모방을 사용하고자 한다. 회사는 광산 폐석에서 집합체를 사용하고 결합 재료로 미생물을 사용하며 건조 과정 후에 물을 청소한다. 회사는 국방 고등 연구 계획국(ARPA)으로부터 미생물을 사용하여 군사 등급의 활주로와 건물을 개발하기 위한 프로젝트 MEDUSA를 수행하기 위해 자금을 지원받았다.

결론

와نگ은 “나뭇잎을 먹는 곤충과 다른 곤충들은 버그가 아니다. 영감의 출처이다”라고 말했다. 과학자들은 오랜 시간 동안 자연에서 연구하고 제품을 설계했다. 계속되는 연구와 그 결과의 다양한 분야에서 응용 가능성으로 인해 브로코솜과 같은 연구는 많은 기술적 진보와 다양한 산업에서 큰 변화를 가져올 수 있다.