מחקר חדש בדק איך הטבע מצליח לייצר חומרים אולטרה-שחורים, עם בליעת אור כמעט מושלמת

חומרים אולטרה-שחורים הם אלה שמתאפיינים בבליעה גבוהה במיוחד של האור הפוגע בהם, ובהחזרה נמוכה במיוחד שלו. התכונה הזאת מעניקה להם שימושים רבים, למשל בייצור קולטים סולריים. אולם הטבע חשב עליהם הרבה לפנינו, והבנת האופן שבו יצורים חיים – כגון פרפרים – מייצרים צבעים כהים במיוחד עשויה לעזור לנו לפתח בעצמנו חומרים דומים בעלות נמוכה וביעילות הרבה יותר גבוהה.

 החומר השחור ביותר המוכר לאדם הוא חומר מלאכותי שפותח לאחרונה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), ומסוגל לבלוע למעלה מ-99.995 אחוז מהאור הפוגע בו. החומר הזה מבוסס על רשת סבוכה של ננו-צינוריות פחמן, שהן מולקולות עשויות פחמן המסודרות בצורת צינור בקוטר של כמה מיליארדיות המטר.

גם הטבע מסוגל לייצר חומרים אולטרה-שחורים. לאורך מיליוני שנות אבולוציה סיגלו מינים מסוימים של של ציפורים, עכבישים ופרפרים צבע שחור במיוחד שאיכותו לא נופלת בהרבה מהצבעים האולטרה-שחורים המלאכותיים. הבנת האופן שבו הטבע מייצר חומרים כאלה עשויה לתת לנו תובנות על עקרונות העיצוב והכימיה שלהם, שיסייעו ביישומים שדורשים בליעה גבוהה של קרינה, למשל בתחום האופטיקה, בייצור תאים סולריים ואפילו בציפוי כלי נשק חמקניים. 

פרפר שחור נחמד

במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature Communications תיארו חוקרים מאוניברסיטת דְיוּק בארצות הברית את קשקשי הכנפיים של פרפרים המשלבים בתוכם צבע אולטרה-שחור. מטרתם הייתה לגלות איך הטבע מצליח לייצר חומר אולטרה-שחור קל ועמיד – שתי תכונות הכרחיות עבור יצורים מעופפים. אף על פי שהחזרת האור הנמוכה של חלק מהקשקשים מתקרבת לזאת של החומרים האולטרה-שחורים המלאכותיים הטובים ביותר, הפרפרים משיגים את האפקט הזה בחמישית מהעובי ובתנאים הרבה יותר בטוחים, ללא שום צורך בטמפרטורות גבוהות או שימוש בחומצות חזקות.

כשמסתכלים על קשקשי פרפרים במיקרוסקופ אלקטרונים סורק, רואים שהם בנויים כמעין רשת של מסננת, כלומר כמו משטח מנוקב המכוסה בחורים בקוטר של ננומטרים בודדים – מיליארדיות המטר. בין כל כמה חורים מפרידים מעין רכסים שנמצאים במרחק קבוע זה מזה. מערך החורים והרכסים נתמך מלמטה על ידי מבנה דמוי קורה (Trabeculae). מחקרים קודמים הראו כי החורים הננומטריים שבקשקש מאפשרים לאור להיכנס לתוכו ולהיבלע של בחומר שנקרא מלנין, צבען טבעי שנמצא בתאים של בעלי חיים רבים ואחראי בין השאר לצבע העור, השיער והעיניים של בני האדם.

צילום מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של כנף פרפר |  Alex Davis, Duke University
בנויים כמשטח מנוקב המכוסה בחורים בקוטר של ננומטרים. צילום מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של כנף פרפר |  Alex Davis, Duke University

 

במחקר הנוכחי השוו החוקרים בין עשרה זנים שונים של פרפרים בעלי צבע אולטרה-שחור, מארבע משפחות שונות. הם מצאו שלמרות ההבדלים המשמעותיים שקיימים בגודלם ובצורתם של הננו-חורים בקשקשיהם, לכל הקשקשים יש גם רכסים תלולים וגם מבנים דמויי קורה שהם עמוקים ורחבים יותר מהקשקשים של פרפרים בצבע שחור רגיל או חום כהה. באמצעות מודלים חישוביים הם הסיקו כי שני המאפיינים הללו – הרכסים התלולים והמבנים דמויי הקורה העמוקים הרחבים – הם הכרחיים לצורך החזרת האור הנמוכה של הקשקש. להערכתם, המאפיינים הללו מגדילים את שטח הפנים של הקשקש ולכן גם את הסיכוי לבליעת האור ולצמצום ההחזרה.

באופן מעניין, כשציפו בזהב את קשקשי הפרפרים בעלי הצבע האולטרה-שחור, על מנת לצפות בהם במיקרוסקופ אלקטרונים סורק, מצאו החוקרים שאף על פי שזהב הוא חומר בעל החזרת אור גבוהה, הדוגמיות כמעט שלא החזירו אור. כלומר המבנה השפיע על הצבע שהוסף לו.

התפקיד הביולוגי של הצבע האולטרה-שחור בכנפי פרפרים אינו ברור עדיין במלואו. מאחר שלא מוכרים פרפרים שהם לגמרי אולטרה-שחורים, אלא תמיד מדובר באזורים שגובלים בדוגמאות בצבע אחר, החוקרים משערים שמטרתם של הצבעים האולטרה-שחורים היא להגדיל את הניגודיות של הצבע בקרבת האזורים האולטה-שחורים ולגרום לו להיראות חד ועשיר יותר, בכך לעזור לפרפר לאותת לפרפרים אחרים לצורכי תקשורת וחיזור.

 

סרטון של אוניברסיטת דיוק על המחקר החדש:

 

5 תגובות

  • אנונימי

    פרפרים שחורים

    תפקידם של המדענים לפתור את התעלומות של בורא עולם,אני חושב שהצבע השחור של הפרפרים הוא צבע אזהרה שמיועד להרחיק טורפים פוטנציאלים,שניסו בעבר לטרוף חרקים שחורים שבשרם רעיל והבינו ששחור זה רעל,למרות שאולי הפרפרים הללו אינם רעילים אלא מנסים לחקות מין אחר שלא אכיל,אני טועה?

  • שלמה

    למדענים יש עוד הרבה מה ללמוד

    זה לא הטבע שייצר חומרים אולטרה-שחורים.
    זה רק אלוהים שאחראי לכל התיחכום שקיים בטבע, ורצוי שלמדענים תהיה קצת ענווה והרבה כבוד למי שאמר והיה העולם.

  • שתיים

    קבליסט

    "אלוהים" זאת מילה, גם "טבע" זאת מילה, גם "הבורא" זאת מילה.
    זה לא משנה איך נקרא לכח שסידר את כל האטומים בצורה שמופיעה ביקום שלנו, המצב הוא שהם מסודרים בצורה שמאפשרת התפתחות שהובילה לאן שאנחנו היום.
    תקרא לכח הזה איך שאתה רוצה, זאת רק מילה, התוצאות הן זהות -> העולם שאנחנו חיים בו.

  • אנונימי

    אני מסכים רק באופן חלקי לדעתך

    אני מסכים רק באופן חלקי לדעתך,יש בורא עולם שיודע מה הוא עושה והוא אכן אחראי על הטבע ועל ההבטים האחרים של עולמינו ושל הקוסמוס,יש פתגם שאומר..." הטבע אינו עושה דבר לבטלה",זה אומר שלכל דבר יש תכלית ותועלת! לדעתי אין כל רע בסקרנות מדעית,יש אנשים שרוצים לדעת כיצד מתנהל הטבע והקוסמוס ואתה לא יכול לכפות עליהם לא לדעת זאת,בגלל זה יש את המדענים שמנסים לפתור,על מנת שאנשים כמוני ידעו,אני מאמין בבורא עולם ויודע שהוא לא עושה לבטלה

  • רקפת2

    מעניין, תודה!

    .