Природа овладела искусством тьмы. От райских птиц с их специализированной структурой перьев, создающих глубокий матовый черный цвет, до крыльев некоторых бабочек с наноструктурами, минимизирующими отражение света, природные примеры глубокого черного цвета впечатляют. Но один из ярких примеров — наземный бархатный муравей.

Этот муравей, который на самом деле является нелетающей осой, имеет экзоскелет, в котором ультрачерные области сочетаются с белыми. Исследователи, изучающие кутикулу Травматомутилла бифурка вид бархатных муравьев, обнаружил, как микроскопические структуры в его экзоскелете поглощают почти весь видимый свет, создавая густую темноту.

Бархатные муравьи (Traumatomutilla bifurca, Hymenoptera: Mutillidae) в естественной среде обитания. На изображениях темные покровы выделяются контрастными узорами из черных и белых щетинок. Авторы: Лопес и др. (2024 г.), iNaturalist.

гот муравьи нелетающие осы

Когда объект отражает менее 0,5% падающего света, ученые называют его «ультрачерным». Напротив, типичная черная одежда отражает 3–5% света. Для достижения этого ультрачерного эффекта требуется больше, чем просто пигменты; для этого требуются сложные микроструктуры.

Винисиус Лопес, энтомолог из Федерального университета Триангуло Минейро в Бразилии, возглавил группу, использующую передовые методы визуализации, такие как сканирующая электронная микроскопия (SEM) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM). Они обнаружили, что кутикула бархатного муравья покрыта плотными наноструктурами — бороздками, полыми внутренними частями и слоистыми пластинками — которые многократно рассеивают свет, пока он не будет почти полностью поглощен.

Изображения поверхности кутикулы Traumatomutilla bifurca (Hymenoptera: Mutillidae), полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Он имеет густой покров из шипов и щетинок. Изображение предоставлено: Лопес и др. (2024).

Хорошо, но почему?

В природе ультрачерные цвета служат определенной цели. Для пауков-павлинов и райских птиц ультрачерный цвет усиливает контраст ярких брачных сигналов. Однако для бархатных муравьев ультрачерный цвет, вероятно, служит предупреждением для хищников. Эта стратегия, известная как апосематизм, использует контрастные цвета, чтобы сигнализировать об опасности. Бархатные муравьи, оснащенные мощными укусами и прочным экзоскелетом, усиливают свое предупреждающее послание этой интенсивной чернотой.

Интересно, что такую ​​ультрачерную окраску имеют только самки бархатных муравьев. Крылатые самцы менее темные, возможно, потому, что они полагаются на полет, чтобы избежать хищников.

Можно было бы ожидать, что такие темные цвета приведут к перегреву под солнцем, но исследование показало обратное. С помощью тепловидения исследователи обнаружили, что Т. бифуркация оставалось немного прохладнее окружающей среды. Это предполагает, что изолирующие свойства густых щетинок могут играть более важную роль в регуляции температуры, чем только цвет.

Тепловизионные камеры показали, что муравьям прохладнее, чем их окружение. Изображение предоставлено: Лопес и др. (2024).

Нет крыльев? Просто стань чернее и жестче

Непонятно почему, но самцы и самки бархатных муравьев отличаются своей чернотой. Это также может быть связано с хищничеством.

Самки бархатных муравьев, как правило, не летают и в большей степени полагаются на апосематическую (предупреждающую) окраску, включая ультрачерные области, которые улучшают видимость их ярких предупреждающих цветов. Самцы, с другой стороны, крылаты и, как правило, не имеют такого же уровня ультрачерной окраски, возможно, потому, что они менее подвержены риску нападения хищников и больше полагаются на мобильность для выживания.

Эта окраска — не единственная их линия защиты. Предыдущие исследования показали, что бархатные муравьи обладают прочным экзоскелетом, который чрезвычайно сложно пробить. Благодаря мощному укусу, химической сигнализации и звуковым предупреждающим звукам бархатные муравьи хорошо защищаются от нападений птиц, ящериц, млекопитающих и амфибий. Эти адаптации, вероятно, возникли из-за нелетающей природы самок, которые проводят значительное время на открытом воздухе в поисках гнезд-хозяев.

Примеры ультрачерного цвета у животных в их естественной среде обитания. (A) Паук-павлин (Maratus tasmanicus, Araneae: Salticidae)
(B) райская птица (Lophorina niedda, Passeriformes: Paradisaeidae) (C) Габуанская гадюка (Bitis rhinoceros, Squamata: Viperidae) и (D) бабочка (Catonephele numilia, Lepidoptera: Papilionidae). Из Лопеса и др. (2024).

Можем ли мы использовать это для ультрачерных материалов?

Люди также довольно хорошо научились создавать ультрачерные материалы. Vantablack, один из самых известных подобных материалов, поглощает 99,996% любого падающего света. Однако инженеры и дизайнеры все чаще обращаются за вдохновением к природе – области, известной как биомимикрия. Изучая наноструктурные адаптации таких существ, как бархатные муравьи и райские птицы, исследователи могут создавать более эффективные и прочные ультрачерные поверхности для применения в оптике, солнечной энергетике и стелс-технологиях.

Ультрачерные микроструктуры, обнаруженные у бархатных муравьев, могут вдохновить на инновации в:

  1. Оптические устройства : Поверхности, которые минимизируют отражение света, имеют решающее значение для телескопов, камер и датчиков. Применение микроструктур, вдохновленных природой, может повысить эффективность и точность этих устройств.
  2. Камуфляжные материалы : Военная и оборонная промышленность могут извлечь выгоду из покрытий, которые уменьшают отражение света, что затрудняет обнаружение объектов.
  3. Солнечная энергия : Улучшение светопоглощения солнечных панелей является постоянной целью. Микроструктуры, имитирующие те, что встречаются в Т. бифуркация может повысить эффективность панелей, улавливая больше солнечного света и более эффективно преобразуя его в энергию.
  4. Эстетический дизайн : от моды до автомобильной промышленности, ультрачерные покрытия открывают новые возможности для создания потрясающих высококонтрастных дизайнов.

Исследование было опубликовано в журнале Beilstein Journal of Nanotechnology.