Az 1950-es évek elején a Brooklyn College biológusai elektronmikroszkóppal vizsgáltak mezei kabócákat (ezek többek közt ugráló helyváltoztatásukról lehetnek ismertek), amelyekről úgy sejtették vírusokat terjeszthetnek környezetükben. A vizsgálatok során a kutatók furcsa, korábban nem ismert „ultramikroszkopikus testeket” figyeltek meg a rovarok szárnyán. A Bulletin of the Brooklyn Entomological Society című folyóiratban 1953-ban megjelent jegyzetben ezeket a parányi, gömb alakú, buborékszerű struktúrákat „brochoszómáknak” nevezték el a görög háló és test szavak után.
Kutatók és mérnökök kis létszámú, de elszánt csoportja azóta egy speciális tudományterületet épített ki egy brochoszómákhoz kötődően. A területen vizsgálódókat egyrészt maguk a brochoszómák, másrészt az ezekben a komplex formájú, porózus, érdekes fizikai tulajdonságokkal rendelkező struktúrákban rejlő gyakorlati lehetőségek érdeklik.
„Csoportunkat 2015 körül kezdték el először érdekelni a brochoszómák, amelyek nanoszintű méreteik és bonyolult, háromdimenziós, focilabdára emlékeztető geometriájuk miatt tűntek izgalmasnak” – mondja Tak-Sing Wong, a Pennsylvaniai Állami Egyetem biomérnöke. „Meglepődtünk azon, hogy a mezei kabócák hogyan képesek következetesen ilyen összetett nanostruktúrákat előállítani, különösen, ha figyelembe vesszük, hogy még a legfejlettebb mikro- és nanofabrikációs technológiáinkkal is nehézségekbe ütközik az ilyen szintű konzisztencia és skálázás megvalósítása.”
Ápol és eltakar
Mint mindenki, akit érdekelnek ezek a struktúrák, Wong is azon dolgozik, hogy a brochoszómák tulajdonságait a gyakorlati felhasználás irányába terelgesse. Ezek a struktúrák ugyanis a látható és az ultraibolya hullámhosszú fény meghatározott tartományait nyelik el. Wong a Penn State és a Carnegie Mellon Egyetemen dolgozó partnereivel már két amerikai szabadalommal is rendelkezik (és továbbiak is folyamatban vannak) a brochoszómák szintetikus megfelelőinek előállítására irányuló eljárásokra.
A kutató elmondása szerint a szintetikus brochoszómák potenciálisan számos területen alkalmazhatók, beleértve a tükröződésmentes és álcázó anyagok fejlesztését, a hamisítás elleni védelmet, az adattitkosítást és az „optikai biztonsági” módszereket, amelyek esetében a rejtett információ csak akkor válik láthatóvá, ha például infravörös vagy ultraibolya fénnyel világítják meg. A kutatóknak az amerikai Haditengerészeti Kutatási Hivataltól is támogatást kaptak, ahol mindig keresik az újabb megoldásokat, amellyel megnehezíthetik az ellenséges erők dolgát a katonai hajók, repülőgépek és más eszközök detektálásában és nyomon követését.
Az utóbbi időszakban a világszerte zajló, brochoszómák által inspirált kutatás-fejlesztés nagyrészt rendkívül tükröződésmentes anyagok fejlesztéséből tevődik össze, amely tulajdonságot a természetes brochoszómák a kabócák testének is garantálnak.
Ez a funkció a rovarokat gyakorlatilag teljesen elrejti a levelek felületén, ahol más éhes rovarok, a madarak és a pókok zsákmány után kutatnak.
A brochoszómák biológiájával kapcsolatos vizsgálatok feltárták, hogy ezek a természetes nanoszerkezetek fehérjékből és lipidekből állnak, és a rovarok Malpighi-tubulusaiban, azaz veseszerű kiválasztószerveinek speciális csövecskéiben jönnek létre. A rovarok a hátsó lábaikkal a végbélnyílásukból az egész testüket bekenik a brochoszómákkal teli mikrocseppekkel, aminek eredményeképpen fényelnyelő „bevonatot” kapnak, így könnyebben túlik a mindennapokat.
Fő a biztonság
A nanogömbök azonban nem csak a rejtőzködésre jók. A brochoszómák inspirálta technológiai koncepciók egyre bővülő listájába tartoznak például az újszerű biztonsági és titkosítási eszközök is, amelyeken többek közt Wong csapata is dolgozik a Carnegie Mellon Egyetem kutatóival közösen. A Sheng Shen gépészmérnök vezette projekt célja, hogy új anyagok kifejlesztésével azt használják ki, hogy az emberek képtelenek érzékelni az infravörös fényt.
Miközben a kutatók a szintetikus brochoszómák optikai és egyéb fizikai aspektusait vizsgálták, észrevették, hogy míg ezek a struktúrák látható fényben egyformáknak tűntek, az infravörös felvételeken drámai kontrasztokat mutattak, mondja Shen. Ebből született az a titkosítási és biztonságtechnológiai ötlet, amelyen jelenleg is dolgoznak. A csapat azt vizsgálja, hogy lehetséges-e az infravörös információt elrejteni a látható spektrumon belül.
Ilyen infravörösben aktív brochoszómás anyagokból készült pöttyök például a pénzjegyeken a hitelességet igazolhatnák, további akadályokat gördítve a potenciális hamisítók útjába.
A kutatók mostanra féltucatnyi módszert dolgoztak ki különböző méretű és geometriájú szintetikus brochoszómák előállítására. A különböző polimer, kerámia és fémes anyagok felhasználásával a szintetikus gömböcskék kínálata egyre változatosabbá válik. Egy kínai kutatócsoport például nemrégiben egy olyan eljárásról számolt be, amellyel színes részecskék változatos sorát lehet előállítani úgy, hogy az ezüst brochoszómák apró mélyedéseit piciny polisztirol gömbökkel töltik ki. A brochoszómák színe azok méretének testre szabásával, és a köztük fellépő elektromágneses kölcsönhatások finomhangolásával is módosítható. Az ACS Nano című szaklapban ismertetett módszer révén a jelenlegi vegyi festékekhez és pigmentekhez képest hosszabb élettartamú és stabilabb színek lehetnek előállíthatók a szakértők szerint.
Egy másik kínai kutatócsoport, amely a kaméleonok, lábasfejűek és más élőlények álcázási képességeit próbálta utánozni, olyan volfrám-oxid alapú brochoszómákat állított elő, amelyek elektromos ingerlés hatására kevésbé fényvisszaverővé válnak. E munka egyik lehetséges hasznosítási területét az energiatakarékos fejlesztések jelenthetik,
például olyan ablakokat lehet létrehozni, amelyek képesek szabályozni a nap folyamán rajtuk áthaladó nap- és hőenergia mennyiségét.
A brochoszómák révén elképzelhető olyan fénygyűjtő elektródák fejlesztése is, amelyek hidrogén üzemanyag előállításához nagy energiájú elektronokat állíthatnak elő és gyűjthetnek össze. Valamint olyan öntisztuló felületek is létrehozhatók lehetnek, amelyek taszítják a folyadékokat és a ragasztókat. De a potenciális felhasználási területek közé tartozik a kórokozók és fehérjék speciális érzékelőkkel való detektálása, vagy a gyógyszerek célzott bejuttatása is.
***
Bár a struktúrák sok szempontból rendkívül ígéretesek, Wong szerint a brochoszómák ihlette technológiai forradalomra egy darabig még várni kell. Ennek oka a skálázható gyártástechnológiák hiánya, mivel ilyen összetett térszerkezetet nanoméretetekben továbbra is kihívás előállítani, mondja a kutató, aki ennek ellenére nagyon szívesen osztja meg a legfrissebb eredményeket minden érdeklődővel, a brochoszómák ugyanis hálás témának számítanak, és szinte bármilyen közönségnél sikert aratnak.
„Mindenkit lenyűgöz ezeknek a focilabdáknak a szerkezeti szépsége” – mondja. „Amikor elmagyarázom, hogy a struktúrák átmérője körülbelül százada egy hajszálnak, alig szokták elhinni.” És ahogy Shen hozzáteszi, a brochoszómák léte fontos emlékeztető azzal kapcsolatban, hogy az innovációnak nem kell mindig az emberi leleményességből származnia: „Néha a természet már megoldotta azokat a problémákat, amelyeken dolgozunk.”
