Самый белый жук
На создание пленки ученых вдохновил хитиновый панцирь этого насекомого, который чрезвычайно эффективно рассеивает свет всех длин волн и обеспечивает жуку самую светлую окраску из всех возможных.
Насекомые — настоящий кладезь вдохновения для людей, создающих новые материалы. У одних экзоскелет отливает благородными металлами, у других крылья переливаются всеми цветами радуги или, напротив, отражают свет подобно зеркалу. А вот у жуков рода Cyphochilus верхний слой панциря толщиной всего в двухсотую долю миллиметра так хорошо отражает свет, что листу офисной бумаги потребуется быть вдвое толще, чтобы добиться такой же белизны.
Жук Cyphochilus. Обратите внимание, что из-под белого верхнего слоя панциря кое-где виден нижний слой черного цвета. Фото © Simba с сайта inaturalist.nz, провинция Юньнань, 3 июня 2024 года.
Секрет белизны жуков Cyphochilus кроется в ультратонких чешуйках, покрывающих верхнюю часть тела. Обычно для создания белого цвета требуется относительно толстый слой материала, рассеивающего видимый свет. Однако жуки добились того же эффекта благодаря особой структуре чешуек, в которых хаотически сплетены тончайшие нити хитина. Каждая нить обладает сравнительно низким показателем преломления, однако за счет многократного рассеивания такая поверхность отражает видимый свет почти полностью, придавая панцирю жука чисто белый цвет.
Жуки рода Cyphochilus населяют леса Юго-Восточной Азии. Предположительно, такая странная для лесного жителя окраска позволяет жуку маскироваться среди белых грибов, встречающихся в местах его обитания (хотя питается он не ими, а сахарным тростником).
Сплетенные нити хитина в панцирях жуков Cyphochilus (a, b) и Lepidiota stigma (c, d), близкий родственник жуков Cyphochilus, который тоже отличается исключительной белизной панциря, любовью к сахарному тростнику и тоже живет в лесах Юго-Восточной Азии. Рисунок из статьи M. Burresi et al., 2014. Bright-White Beetle Scales Optimise Multiple Scattering of Light.
Ну а ученым структура панциря жука подсказала новый способ получения белых покрытий для техники, мебели и других предметов. Эти покрытия способны заменить стандартный пигмент, применяемый для получения белых красок, — диоксид титана. Хотя он отлично отражает свет, у него есть недостатки: он не разрушается в природе естественным путем (и в перспективе может загрязнять окружающую среду), а также существуют подозрения, что он может наносить вред здоровью человека.
Основываясь на строении панциря жука, немецкие исследователи смогли создать напоминающую губку наноструктурированную пленку, чрезвычайно тонкую, гибкую и легкую. Даже пленка толщиной всего девять микрометров рассеивает больше половины видимого света, а с помощью более толстой пленки можно добиться рассеивания 80–90%. В другом исследовании удалось добиться исключительной белизны с помощью нанофибрилл целлюлозы, имитирующих нити хитина в панцире жука: в зависимости от толщины нанофибрилл материал получался либо полупрозрачным, либо чисто белым.
Наконец, в 2023 году были опубликованы результаты работы по изготовлению ультрабелой керамической плитки, структура которой тоже была вдохновлена жуками Cyphochilus. И ученым удалось добиться рекордных показателей отражения: видимого света до 99,6% и инфракрасного излучения до 96,5%! Покрыв такой плиткой крышу дома, можно заметно снизить температуру внутри, сократив расходы электроэнергии на работу кондиционеров и уменьшив городские острова тепла, в которых так тяжело находиться жарким летним днем.
Анна Новиковская, Элементы.