宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究表明，叶蝉是一种常见的后院昆虫，它们会分泌微小的神秘颗粒并将其包裹在自己的身体中，这些颗粒可以为下一代技术提供灵感和指导。

首先，该团队精确地复制了这些颗粒(称为溴化体)的复杂几何形状，并阐明了它们如何吸收可见光和紫外线的更好理解。

机械工程和生物医学工程教授Tak-SingWong表示，这可能有助于开发仿生光学材料，其应用范围从隐形隐形装置到涂层，以更有效地收集太阳能。黄领导的这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

这种独特的微小颗粒具有不寻常的足球状几何形状，并带有空腔，自20世纪50年代以来，它们对昆虫的确切用途一直是科学家们的一个谜。2017年，Wong领导了宾夕法尼亚州立大学的研究团队，该团队率先创建了溴化体的基本合成版本，以更好地了解其功能。

“这一发现对于技术创新非常有用，”机械工程博士后学者、该研究的主要作者林王说。“通过调节表面光反射的新策略，我们也许能够隐藏人类或机器的热信号。也许有一天，人们可以根据叶蝉使用的技巧开发出热隐形斗篷。我们的工作展示了如何理解自然可以帮助我们开发现代技术。”

王接着解释说，尽管科学家们对支气管体粒子的了解已有四分之三个世纪了，但由于粒子几何形状的复杂性，在实验室中制造它们一直是一个挑战。

“目前还不清楚为什么叶蝉会产生具有如此复杂结构的颗粒，”王说，“我们在实验室中利用高科技3D打印方法成功地制造了这些支气管体。我们发现这些实验室制造的颗粒可以减少光线反射率高达94%。这是一个重大发现，因为这是我们第一次看到大自然做这样的事情，它使用空心粒子以如此特定的方式控制光。”

关于叶蝉为什么给自己披上一层溴状体盔甲的理论多种多样，从让它们免受污染物和水的侵害，到像超级英雄一样的隐形斗篷。然而，机械工程和生物医学工程教授、该研究的通讯作者Tak-SingWong表示，对它们几何形状的新认识提出了一种很大的可能性，即它的主要用途可能是躲避捕食者的斗篷。

研究人员发现，支气管体中孔的大小使其具有中空的足球状外观，这一点极其重要。无论昆虫的身体大小如何，叶蝉物种的大小都是一致的。支气管体的直径约为600纳米，约为单个细菌大小的一半，支气管体的孔约为200纳米。

“这让我们提出一个问题，”黄说。“为什么会出现这种一致性?拥有约600纳米的支气管体和约200纳米的孔的秘密是什么?这有什么用处吗?”

研究人员发现，溴化体的独特设计具有双重用途：吸收紫外线，降低鸟类和爬行动物等具有紫外线视觉的捕食者的可见度;散射可见光，形成抗反射屏障，抵御潜在威胁。孔的大小非常适合吸收紫外线频率的光。

研究人员表示，这可能会给人类使用合成溴化体带来多种应用，例如更高效的太阳能收集系统、保护药物免受光损伤的涂层、更好地保护皮肤免受阳光伤害的先进防晒霜，甚至隐形装置。。为了测试这一点，该团队首先必须制造合成溴化体，这本身就是一个重大挑战。

在2017年的研究中，研究人员使用合成材料模仿了支气管体的一些特征，特别是凹坑及其分布。这使他们开始了解光学特性。然而，他们只能制造出看起来像纤维体的东西，而不是精确的复制品。

Wong说：“这是我们第一次能够制作出天然支气管体的精确几何形状。”他解释说，研究人员能够利用先进的3D打印技术创建支气管体结构的按比例合成复制品。

他们打印了一个尺寸为20,000纳米的放大版，大约是人类头发直径的五分之一。研究人员使用3D打印精确复制了形状和形态，以及孔的数量和位置，以生产出仍然很小的人造支气管体，这些人造支气管体足够大，可以进行光学表征。

他们使用微傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪来检查支气管体如何与不同波长的红外光相互作用，帮助研究人员了解这些结构如何操纵光。

接下来，研究人员表示，他们计划改进合成支气管体的制造，使生产规模更接近天然支气管体的大小。他们还将探索合成溴化体的其他应用，例如信息加密，其中类似溴化体的结构可以用作加密系统的一部分，其中数据仅在某些光波长下可见。

王指出，他们的支气管体工作证明了仿生研究方法的价值，科学家们从大自然中寻找灵感。

“大自然一直是科学家开发新型先进材料的好老师，”王说。“在这项研究中，我们只关注了一种昆虫物种，但还有更多令人惊奇的昆虫正在等待材料科学家的研究，它们或许能够帮助我们解决各种工程问题。它们不仅仅是虫子;它们是灵感。”

除了宾夕法尼亚州立大学的Wong和Wang之外，参与这项研究的其他研究人员还包括卡内基梅隆大学机械工程教授ShenShen和机械工程博士研究生ZhuoLi，他们对这项研究的模拟做出了贡献。王和李对这项工作做出了同等贡献，研究人员已为此申请了美国临时专利。

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