Serangga yang Menginspirasi Perangkat Tembus Pandang Generasi Berikut

Sebuah studi terbaru mengungkapkan bahwa serangga wereng ternyata mengeluarkan dan melapisi dirinya dengan partikel kecil misterius yang dapat memberikan inspirasi dan petunjuk bagi teknologi generasi mendatang.

Sebuah studi terbaru yang dipimpin oleh para peneliti dari Universitas Penn State, Amerika Serikat (AS), mengungkapkan bahwa serangga wereng memiliki keunikan karena mengeluarkan dan melapisi dirinya dengan partikel kecil misterius yang dapat memberikan inspirasi dan petunjuk bagi teknologi generasi mendatang.

Pada tahap awal studi ini, tim peneliti secara tepat mereplikasi geometri kompleks partikel-partikel yang disebut brokosom (brochosome) dan menjelaskan pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana partikel ini menyerap sinar tampak maupun sinar ultraviolet.

"Hal ini memungkinkan pengembangan bahan optik yang terinspirasi secara biologis dengan kemungkinan penerapan mulai dari perangkat penyelubung tak kasat mata hingga pelapis agar dapat memanen energi matahari secara lebih efisien," kata Tak-Sing Wong, profesor teknik mesin dan teknik biomedis yang memimpin penelitian tersebut yang diterbitkan pada 18 Maret lalu di jurnalProsiding National Academy of Sciences Amerika Serikat(PNAS).

Partikel-partikel kecil yang unik ini memiliki geometri seperti bola sepak yang tidak biasa dan berlubang, dan tujuan sebenarnya dari partikel-partikel tersebut bagi serangga telah menjadi misteri bagi para ilmuwan sejak era '50-an. Pada 2017, Wong memimpin tim peneliti Penn State yang merupakan orang pertama yang membuat brokosom versi dasar sintetis dalam upaya untuk lebih memahami fungsinya.

"Penemuan ini bisa sangat berguna untuk inovasi teknologi," kata Lin Wang, sarjana pascadoktoral di bidang teknik mesin dan penulis utama studi tersebut. "Dengan strategi baru untuk mengatur pantulan cahaya di permukaan, kita mungkin bisa menyembunyikan tanda termal manusia atau mesin. Mungkin suatu hari nanti manusia bisa mengembangkan jubah tembus pandang termal berdasarkan trik yang digunakan wereng. Tugas kami menunjukkan bagaimana memahami alam dapat membantu kita mengembangkan teknologi modern," tutur dia.

Wang melanjutkan menjelaskan bahwa meskipun para ilmuwan telah mengetahui tentang partikel brokosom selama tiga perempat abad, membuatnya di laboratorium merupakan tantangan karena kompleksitas geometri partikel.

"Masih belum jelas mengapa wereng menghasilkan partikel dengan struktur kompleks seperti itu. Kami berhasil membuat brokosom ini menggunakan metode pencetakan 3D berteknologi tinggi di laboratorium. Kami menemukan bahwa partikel buatan laboratorium ini dapat mereduksi cahaya. refleksi hingga 94 persen. Ini adalah penemuan besar karena ini pertama kalinya kita melihat alam melakukan hal seperti ini, di mana ia mengendalikan cahaya dengan cara yang spesifik menggunakan partikel berongga," ungkap Wang.

"Jubah Pelindung"

Teori tentang mengapa wereng melapisi dirinya dengan pelindung brokosom berkisar dari menjaga mereka terlindung dari kontaminan dan air hingga jubah tembus pandang seperti pahlawan super. Namun, pemahaman baru tentang geometri mereka menimbulkan kemungkinan kuat bahwa tujuan utamanya adalah sebagai jubah untuk menghindari predator, menurut Tak-Sing Wong, profesor teknik mesin dan teknik biomedis dan penulis studi tersebut.

Para peneliti telah menemukan bahwa ukuran lubang di brokosom yang memberikan tampilan berongga seperti bola sepak sangatlah penting. Ukurannya konsisten pada seluruh spesies wereng, berapa pun ukuran tubuh serangga tersebut. Brokosom berdiameter sekitar 600 nanometer dan pori-pori brokosom berukuran sekitar 200 nanometer.

"Itu membuat kami bertanya-tanya, mengapa konsistensi ini? Apa rahasia memiliki brokosom sekitar 600 nanometer dengan pori-pori sekitar 200 nanometer? Apakah itu ada gunanya?" kata Wong.

Para peneliti menemukan bahwa desain unik brokosom memiliki dua tujuan, yaitu menyerap sinar ultraviolet (UV), yang mengurangi visibilitas predator dengan penglihatan UV, seperti burung dan reptil, dan menghamburkan cahaya tampak, menciptakan perisai antireflektif terhadap potensi ancaman. Selain itu ukuran lubangnya sangat cocok untuk menyerap cahaya pada frekuensi ultraviolet.

Hal ini berpotensi mengarah pada berbagai aplikasi bagi manusia yang menggunakan brokosom sintetis, seperti sistem pemanenan energi matahari yang lebih efisien, pelapis yang melindungi obat-obatan dari kerusakan akibat cahaya, tabir surya canggih untuk perlindungan kulit yang lebih baik terhadap kerusakan akibat sinar matahari dan bahkan perangkat penyelubung, kata para peneliti.

Untuk mengujinya, pertama-tama tim harus membuat brokosom sintetis, yang merupakan tantangan tersendiri. Dalam studinya pada 2017, para peneliti meniru beberapa fitur brokosom dengan menggunakan bahan sintetis. Hal ini memungkinkan mereka untuk mulai memahami sifat optik. Namun, mereka hanya mampu membuat sesuatu yang tampak seperti brokosom, bukan replika persisnya.

"Ini adalah pertama kalinya kami dapat membuat geometri yang tepat dari brokosom alami," kata Wong seraya menjelaskan bahwa para peneliti mampu membuat replika sintetik berskala dari struktur brokosom dengan menggunakan teknologi pencetakan 3D yang canggih.

Mereka mencetak versi yang diperbesar dengan ukuran 20.000 nanometer atau kira-kira seperlima diameter rambut manusia. Para peneliti secara tepat mereplikasi bentuk dan morfologi, serta jumlah dan penempatan pori-pori menggunakan pencetakan 3D, untuk menghasilkan brokosom palsu yang masih berukuran kecil dan cukup besar untuk dikarakterisasi secara optik.

Mereka menggunakan spektrometer Micro-Fourier transform inframerah (FTIR) untuk memeriksa bagaimana brokosom berinteraksi dengan cahaya inframerah dengan panjang gelombang berbeda, membantu para peneliti memahami bagaimana struktur memanipulasi cahaya. Selanjutnya, para peneliti mengatakan mereka berencana untuk meningkatkan fabrikasi brokosom sintetis untuk memungkinkan produksi pada skala yang mendekati ukuran brokosom alami. Mereka juga akan mengeksplorasi aplikasi tambahan untuk brokosom sintetik, seperti enkripsi informasi, di mana struktur mirip brokosom dapat digunakan sebagai bagian dari sistem enkripsi di mana data hanya terlihat pada panjang gelombang cahaya tertentu.

Wang mencatat bahwa karya brokosom mereka menunjukkan nilai pendekatan penelitian biomimetik, di mana para ilmuwan mencari inspirasi dari alam.

"Alam telah menjadi guru yang baik bagi para ilmuwan untuk mengembangkan materi baru yang canggih," kata Wang. "Dalam penelitian ini, kami hanya berfokus pada satu spesies serangga, namun masih banyak lagi serangga menakjubkan di luar sana yang menunggu untuk dipelajari oleh para ilmuwan material, dan mereka mungkin dapat membantu kami memecahkan berbagai masalah teknik. Mereka bukan sekadar serangga," imbuh dia. sciencedaily/I-1