השחור העמוק של הפרפרים

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.

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: