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Einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften von Zikadenflügeln, die von Materialwissenschaftlern entdeckt wurden

Zikadenflügel

Wissenschaftler untersuchen die strukturellen und chemischen Eigenschaften von Zikadenflügeln. Bildnachweis: Foto von Wayne Boo, US Geological Survey

Biologische Strukturen weisen manchmal einzigartige Merkmale auf, die Ingenieure gerne kopieren würden. Zum Beispiel werfen viele Arten von Insektenflügeln Wasser ab, töten Mikroben ab, reflektieren Licht auf ungewöhnliche Weise und sind selbstreinigend. Während Forscher die physikalischen Eigenschaften untersucht haben, die wahrscheinlich zu solchen Merkmalen beitragen, zeigt eine neue Studie, dass die chemischen Verbindungen, die Zikadenflügel bedecken, auch zu ihrer Fähigkeit beitragen, Wasser abzustoßen und Mikroben abzutöten.

Die Wissenschaftler berichten über ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Erweiterte Materialschnittstellen.

Die Forscher untersuchten die physikalischen Eigenschaften und chemischen Eigenschaften der Flügel zweier Zikadenarten. Neotibicen pruinosus und Magicicada casinnii. N. pruinosus ist eine jährliche Zikade; M. casinnii taucht alle 17 Jahre aus dem Boden auf. Frühere Studien haben gezeigt, dass beide Arten ein hochgeordnetes Muster winziger Säulen, sogenannte Nanopillen, auf ihren Flügeln haben. Die Nanopillen tragen zur Hydrophobizität der Flügel bei – sie geben Wasser besser ab als ein Regenmantel – und spielen wahrscheinlich eine Rolle bei der Abtötung von Mikroben, die versuchen, sich an den Flügeln zu binden.

Zikadenflügel-Team der Universität von Illinois

Zum Team der Universität von Illinois gehörten von links Marianne Alleyne, Junho Oh, Nenad Miljkovic und Catherine Dana. Nicht abgebildet: Longnan Li. Bildnachweis: Foto von Lou McClellan, Beckman Institute for Advanced Science and Technology

“Wir wussten vor dieser Studie viel über die Oberflächenstruktur von Zikadenflügeln, aber wir wussten sehr wenig über die Chemie dieser Strukturen”, sagte Marianne Alleyne, Entomologieprofessorin an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign, die die Studie leitete Analytische Chemikerin Jessica Román-Kustas von den Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico; Donald Cropek vom US Army Corps of Engineers ‘Construction Engineering Research Laboratory; und Nenad Miljkovic, Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen in Illinois.

Um die Chemie der Nanopillen zu untersuchen, entwickelte Román-Kustas eine Methode, um die Verbindungen auf der Oberfläche schrittweise zu extrahieren, ohne die Gesamtstruktur der Flügel zu beschädigen. Sie stellte jeden Flügel in eine geschlossene Kammer und löste ihn langsam in die Mikrowelle.

“Wir haben all diese verschiedenen Verbindungen über verschiedene Zeiträume extrahiert und dann analysiert, was sich herausgestellt hat”, sagte Román-Kustas. “Und wir haben uns auch die entsprechenden Veränderungen in der Nanopillarstruktur angesehen.”

Army Corps Cicada Wing Team

Das Team des Konstruktionslabors des US Army Corps of Engineers bestand von links aus Sungmin Hong, Jessica Román-Kustas und Don Cropek. Nicht abgebildet: Jacob Hoffman, Julian Reed, Andrew Gonsalves und Kyoo Jo. Bildnachweis: Foto mit freundlicher Genehmigung von Don Cropek

Die Bemühungen zeigten, dass Zikadenflügel mit einem Eintopf aus Kohlenwasserstoffen, Fettsäuren und sauerstoffhaltigen Molekülen wie Sterolen, Alkoholen und Estern überzogen sind. Die sauerstoffhaltigen Moleküle waren in den Nanopillaren am häufigsten vorhanden, während Kohlenwasserstoffe und Fettsäuren mehr der äußersten Nanopillarschichten ausmachten.

“Es ist keine Überraschung, diese speziellen Moleküle an der Oberfläche zu finden”, sagte Alleyne. “Kohlenwasserstoffe und Fettsäuren auf der Nagelhaut von Insekten sind ziemlich häufig.”

Das Verhältnis der Oberflächenchemikalien unterschied sich zwischen den beiden Zikadenarten ebenso wie ihre Nanopillarstrukturen.

Die Studie ergab, dass durch die Veränderung der Oberflächenchemikalien auch die Nanopillarstruktur verändert wurde. In den Zikaden von N. pruinosis begannen sich die Nanopillen im Verhältnis zueinander zu verschieben, als die Chemikalien extrahiert wurden, und später zu einer paralleleren Konfiguration zurückzukehren. Dies veränderte auch die Benetzbarkeit und die antimikrobiellen Eigenschaften der Flügel.

Die Flügel der M. cassinni-Zikaden hatten kürzere Nanopillen und einen höheren Anteil an hydrophoben Verbindungen auf ihrer Oberfläche. Ihre Ausrichtung der Nanopillarkonfiguration änderte sich durch die Extraktion ihrer Oberflächenchemikalien nicht.

Während vorläufig, bieten die neuen Erkenntnisse Einblick in das Zusammenspiel von Struktur und Chemie bei der Bestimmung der Funktion, sagte Alleyne. Durch die Analyse dieser Eigenschaften hoffen die Forscher, eines Tages künstliche Strukturen mit einigen der gleichen Oberflächenmerkmale entwerfen zu können. Das Finden von Materialien, die Wasser abgeben und beispielsweise Mikroben abtöten, wäre in vielen Anwendungen nützlich, von der Landwirtschaft bis zur Medizin, sagte sie.

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Referenz: „Molekulare und topografische Organisation: Einfluss auf die Benetzbarkeit der Zikadenflügel und die bakteriziden Eigenschaften“ von Jessica Román-Kustas, Jacob B. Hoffman, Julian H. Reed, Andrew E. Gonsalves, Junho Oh, Longnan Li, Sungmin Hong, Kyoo D. Jo, Catherine E. Dana, Donald M. Cropek, Nenad Miljkovic und Marianne Alleyne, 1. April 2020, Erweiterte Materialschnittstellen.
DOI: 10.1002 / admi.202000112

Alleyne ist auch eine Tochtergesellschaft des Beckman Institute for Advanced Science and Technology in Illinois.

Das Forschungslabor des US Army Corps of Engineers für Bautechnik, die National Science Foundation und das japanische Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie unterstützten diese Forschung.