Nanotechnológia – a lepkeszárnyaktól az okostelefonokig

Az MTA Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetben a boglárkalepkék kék színét adó nanoszerkezetek vizsgálatával foglalkozó kutatócsoport legújabb eredményét nemrég a Royal Society Interface című folyóiratában publikálták. Munkájuk eredményei korunk csúcstechnológiai kutatásainak egyik fő vonulatában hasznosíthatók, például a napsütésben is jól látható síkképernyők kifejlesztésében vagy a színüket parancsra változtató textíliák tökéletesítésében.

Az állatok szín alapú fajfelismerésének vizsgálatában a magyar kutatók nemzetközi viszonylatban is az élen járnak, amit jól példáz az eltérő kék színárnyalatú, feltételezhetően közös eredetű boglárkalepkék (Lycaenidae: Polyommatini) kutatásában elért eredményeik publikálása. Biró László Péternek, az MTA doktorának az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet Nanoszerkezetek Osztályán működő kutatócsoportja közleményt jelentetett meg interdiszciplináris együttműködésen alapuló munkájáról, amelynek alapkutatásáról oldalunkon korábban már hírt adtunk. A csoport a boglárkalepkék szárnyán is megtalálható fotonikus nanoarchitektúrák (olyan nanoszerkezetek, amelyek a rájuk eső fény szelektív visszaverésével kapják a színüket) tulajdonságait vizsgálva jött rá, hogy a szárnyak különböző színárnyalatai biztosítják a rendkívül hasonló, azonos élőhelyen előforduló fajok biztonságos megkülönböztetését.

    Kutatásuk azóta oly mértékben előrehaladt, hogy eredményeikről a Royal Society Interface című folyóirata augusztusi számában tudományos értekezést jelentetett meg. A kutatásban részt vevő öt tudós közül négy fizikus, Bálint Zsolt biológus pedig lepkeszakértőként, a Magyar Természettudományi Múzeum lepkegyűjteményének kurátoraként kapcsolódott be a közös munkába. Az ő ötlete nyomán és szakmai segítségével indult el a kutatás, a lepkemintákat is a Magyar Természettudományi Múzeum bocsátotta a fizikuscsoport rendelkezésére.

    A közel másfél évvel ezelőtti felfedezés alapját egy, a Nanoszerkezetek Osztályán diplomázó egyetemi hallgató, Piszter Gábor szoftvere tette lehetővé. Az emberi agy működését és felépítését leképző, neurális hálózat alapú programot a lepkék optikai vizsgálatára fejlesztette ki. A lepkék kék színét adó nanoszerkezetek egy-egy fajra jellemző módon eresztik át, illetve verik vissza a fény különböző hullámhossz-tartományú részeit. A neurális szoftver alkalmazásával sikerült 96 százalékos találati pontossággal megállapítaniuk az egyes egyedek faj szerinti hovatartozását.

A fajok szín szerinti azonosításán túl a kutatók a szárnypikkelyekben található és a színeket létrehozó nanoarchitektúrákat is vizsgálták. A szárnyak színét adó nanoarchitektúrák olyan kitin-levegő nanokompozitok, amelyek jellemző méretei 100 nanométer alattiak. Szerkezeti jellemzőiket Vértesy Zofia tárta fel elektronmikroszkópos vizsgálatokkal. A kutatók azt találták, hogy ezek alapján is megbízhatóan (91 százalékos pontossággal) azonosíthatóak a fajok. Eredményeiket összesítve kiderült, a kék különböző árnyalataiért hasonló felépítésű, azonos kémiai összetételű, de jellegzetesen eltérő szerkezetű nanoarchitektúrák a felelősek.

    A lepkék életében fontos szerepet tölt be a szárnyuk színe. Az erőteljes ivari kétalakúságot mutató boglárkalepkék esetében a kék szexuális jelzőszín, azaz nagymértékben befolyásolja az egyed sikerességét a szaporodás során. A biológiai evolúcióban bizonyított módon már 500 millió évvel ezelőtt szerepet játszottak a színes fotonikus nanoarchitektúrák. A fizikusok és az anyagtudósok azonban csupán húsz évvel ezelőtt kezdték el a fotonikus kristályok kutatását. A terület sokrétű alkalmazási lehetőségeinek köszönhetően azóta robbanásszerűen fejlődik.

A kilenc faj színeinek ábrázolása 3D térben

    A boglárkalepkék szárnyvizsgálatában jelentős feladat jutott az MTA TTK MFA egy másik kutatójának, Kertész Krisztiánnak. Munkája során a lepkék színének az emberi szemmel látható, úgynevezett kromatikus terét vetette össze a boglárkalepkékre jellemző kromatikus térrel. A Lángszinérfélék (Lycaenidae) tagjainak - mivel összetett szemük az UV tartományban az emberéhez képest az RGB tartomány színein, vagyis a piroson, kéken és zöldön túl eggyel több vizuális pigmenttel rendelkezik - nem két-, hanem háromdimenziós kromatikus terük van. Az így keletkezett háromdimenziós térben a vizsgált lepkefajok színei sokkal jobban elkülönülnek egymástól, mint az emberi kétdimenziós kromatikus térben.

Felfedezéseik olyan mobiltelefon-kijelzők megalkotását tennék lehetővé, amelyek a ma elterjedt háttérvilágítás helyett a napfény által nyernék el színüket, így láthatóságuk a napfényben nem csökkenne, hanem éppen ellenkezőleg, színeik az intenzívebb megvilágítás hatására erősödnének. A már kereskedelmi forgalomban is kapható, a fényt áteresztő, de a meleget visszaverő "okosablakok" ugyancsak a fotonikus nanoarchitektúrák fejlődésének köszönhetik létüket. A fotonikus nanoarchitektúrák szerepet játszhatnak továbbá a hatékonyabb napelemek és a hatékonyabb világítás megvalósításában, illetve a fénnyel működő, a jelenleginél gyorsabb, kevésbé melegedő számítógépek tökéletesítésében is.