Los resultados podrían informar el diseño de nuevos materiales como ventanas iridiscentes o textiles impermeables.

Si rozas las alas de una mariposa, es probable que salgas con una pizca fina de polvo. Este polvo de lepidópteros está formado por diminutas escamas microscópicas, cientos de miles de las cuales cubren las alas de una mariposa como tejas en un techo ultradelgado. La estructura y disposición de estas escamas le dan a la mariposa su color y brillo, y ayudan a proteger al insecto de los elementos.

Ahora, CON Los ingenieros han capturado la intrincada coreografía de escamas de mariposa que se forman durante la metamorfosis. Por primera vez, el equipo observó continuamente las escamas de las alas crecer y ensamblarse a medida que una mariposa en desarrollo se transforma dentro de su crisálida.

Con una cirugía menor y un enfoque de imagen inteligente, los investigadores pudieron observar la formación de escamas de alas en muestras de Vanessa cardui, comúnmente conocida como la bella dama mariposa. Observaron que cuando se forma un ala, las células de su superficie se alinean en filas ordenadas a medida que crecen. Estas células se diferencian rápidamente en una alternancia de escamas de «cobertura» y «suelo», produciendo un patrón superpuesto similar a una teja. Cuando alcanzan su tamaño completo, las escamas forman finas crestas a lo largo de su longitud: características diminutas y onduladas que controlan el color del insecto y lo ayudan a absorber la lluvia y la humedad.

Las imágenes SEM se utilizan típicamente para visualizar escamas en desarrollo en un ala de mariposa (se muestran dos escalas individuales, arriba a la izquierda); un nuevo enfoque utiliza imágenes de fase cuantitativa para mostrar escalas individuales con más detalle (arriba a la derecha y abajo). El ancho de las escamas es de aproximadamente 50 µm. Crédito: Anthony McDougal y Sungsam Kang

El estudio del equipo, publicado hoy (22 de noviembre de 2021) en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, ofrece la mirada más detallada hasta la fecha sobre la arquitectura emergente de escamas de mariposa. Las nuevas visualizaciones también podrían servir como plantilla para el diseño de nuevos materiales funcionales, como ventanas iridiscentes y textiles impermeables.

«Las alas de mariposa controlan muchos de sus atributos al dar forma con precisión a la arquitectura estructural de sus escamas», dice el autor principal Anthony McDougal, asistente de investigación en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. “Esta estrategia podría utilizarse, por ejemplo, para dar color y propiedades de autolimpieza a automóviles y edificios. Ahora podemos aprender del control de mariposa estructural de estos complejos materiales micro-nanoestructurados. «

Los coautores de McDougal en el MIT incluyen al becario postdoctoral Sungsam Kang, el científico investigador Zahid Yaqoob, el profesor de ingeniería mecánica y biológica Peter So, y el profesor asociado de ingeniería mecánica Mathias Kolle.

Un campo de luciérnagas

La sección transversal de un ala de mariposa revela un intrincado andamio de escamas y nervaduras que varían en estructura y disposición de una especie a otra. Estas características microscópicas actúan como pequeños reflectores que hacen rebotar la luz para darle a la mariposa su color y brillo. Las crestas en las escamas de un ala sirven como canalones y calentadores en miniatura, canalizando la humedad y el calor para mantener al insecto fresco y seco.

Los investigadores han intentado replicar las propiedades ópticas y estructurales de las alas de las mariposas para diseñar nuevas células solares y sensores ópticos, superficies resistentes a la lluvia y al calor, e incluso billetes iridiscentes con patrones de cifrado para desalentar la falsificación. Saber qué procesos explotan las mariposas para hacer crecer sus escamas podría ayudar a guiar aún más este tipo de desarrollo tecnológico bioinspirado.

Actualmente, lo que se sabe sobre la formación de escamas se basa en imágenes fijas de alas de mariposa maduras y en desarrollo.

“Los estudios anteriores brindan instantáneas convincentes en ciertas etapas de desarrollo; Desafortunadamente, no revelan la cronología continua y la secuencia de lo que sucede a medida que crecen las estructuras de escala ”, dice Kolle. «Necesitábamos ver más para empezar a entenderlo mejor».

En su nuevo estudio, él y sus colegas se propusieron observar continuamente cómo las escamas crecen y se ensamblan en una mariposa viva en el proceso de transformación. Eligieron estudiar especímenes de Vanessa Cardui, porque las alas de la mariposa tienen características comunes a la mayoría de las especies de lepidópteros.

El equipo crió orugas Painted Lady en contenedores individuales. Una vez que cada oruga se encerró en una crisálida, lo que indica el comienzo de su metamorfosis, los investigadores cortaron con cuidado el material delgado como el papel y despegaron un pequeño cuadrado de cutícula, o cubierta del ala en desarrollo, exponiendo las escamas que crecen debajo. Luego usaron un bioadhesivo para pegar un cubreobjetos transparente sobre la abertura, creando una ventana a través de la cual podían ver a la mariposa y sus escamas continuar formándose.

Para visualizar esta transformación, Kolle y McDougal se asociaron con Kang, Yaqoob y So, expertos en un tipo de imagen llamada microscopía de fase de reflexión de correlación de puntos. En lugar de proyectar un amplio haz de luz sobre el ala, que podría ser fototóxico para las células delicadas, el equipo aplicó un «campo moteado»: muchos pequeños puntos de luz, cada uno de los cuales brilla en un punto específico del ala. El reflejo de cada pequeña luz se puede medir en paralelo con todos los demás puntos del campo para crear rápidamente un mapa tridimensional detallado de las estructuras de las alas.

“Un campo moteado es como miles de luciérnagas que generan un campo de puntos de luz”, dice So. “Con este método, podemos aislar la luz de diferentes capas y reconstruir la información para mapear eficazmente una estructura en 3D. «

Un barrido profundo a través de las escamas de las alas de una ninfa que ha completado el 83% de su metamorfosis. La izquierda muestra la cantidad de luz reflejada de las escalas, mientras que la información de fase de la derecha muestra gradaciones más finas en la distancia que la luz viaja a las escalas. Crédito: MIT

Haz conexiones

En sus visualizaciones del ala de mariposa en crecimiento, el equipo observó la formación de características muy detalladas, que van desde escalas micrométricas hasta crestas de escala nanométrica aún más finas a escalas individuales.

Observaron que a los pocos días las células se alineaban rápidamente en filas y poco después se diferenciaban en un patrón alterno de escamas de cobertura (las que cubrían el ala) y escamas del suelo (las que estaban ocultas debajo). Cuando alcanzaron su tamaño final, cada escama desarrolló crestas largas y delgadas que se asemejaban a pequeños techos corrugados.

“Muchos de estos pasos se han entendido y visto antes, pero ahora podemos unirlos todos y observar continuamente lo que está sucediendo, lo que nos da más información sobre cómo se forman las escamas”, dice McDougal.

Curiosamente, el equipo descubrió que las crestas de las escamas se formaron inesperadamente. Los científicos habían especulado que estos surcos eran una consecuencia de la compresión: a medida que las escamas crecían, se pensaba que se encogían como un acordeón. Pero las visualizaciones del equipo mostraron que en lugar de encogerse como lo haría cualquier material cuando se comprime, las escamas continuaron creciendo a medida que aparecían crestas en su superficie. Estas mediciones sugieren que debe estar funcionando otro mecanismo de formación de crestas. El grupo espera explorar esto, así como otros procesos en el desarrollo del ala de la mariposa, que pueden ayudar a informar el diseño de nuevos materiales funcionales.

“Este artículo se centra en lo que hay en la superficie del ala de la mariposa”, señala McDougal. “Pero debajo de la superficie, también podemos ver células enraizándose como zanahorias y enviando conexiones a otras raíces. Hay comunicación debajo de la superficie a medida que las células se organizan. Y en la superficie, se forman escamas, así como características en las escamas mismas. Podemos visualizar todo, lo cual es realmente hermoso de ver.

Referencia: 22 de noviembre de 2021, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073 / pnas.2112009118

Esta investigación fue financiada, en parte, por la National Science Foundation.