Amikor 1999-ben Bill Clinton amerikai elnök egy televíziós beszédében a nanotechnológiai kutatások fontosságára hívta fel a figyelmet, valószínűleg nem az ízeltlábúak vizsgálatának jövőt formáló jelentőségére gondolt. Pedig talán éppen a lepkék szárnyának kutatása formálja majd át a szilícium alapú számítástechnikát – a MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet (MFA) tudósainak munkája akár új típusú számítógépek, vagy képernyők kifejlesztéséhez vezethet.
Bíró László Péter egy Morphóval. Megpróbálják ellesni lepke-trükköket.
„A lepkék szárnya egyedülálló biológiai struktúra, amely rendkívüli sajátságokat mutat. A mikroszkópos felvételek például felfedik, hogy a szárnyakat borító pikkelyzet, vagyis a csak hímporként ismert mintázat bizonyos fajok esetében kristályrács szerű szerkezettel rendelkezik” – magyarázza Bíró László Péter, a nanoszerkezetek kutatása osztály vezetője. A fémes kék színéről híres dél-amerikai Morpho pillangók szárnyának színét is ez a szerkezet váltja ki, ez okozza, hogy a szárny csillogó kék színe csupán árnyalatnyit változik a fény beesési szögétől függően, ellentétben például az eső után az úttesten folyó víz felszínén megfigyelhető olajfoltok szivárványosan váltakozó színével.
Az MFA fizikusai azt vizsgálták, hogy ennek a különböző lepkefajok esetében megfigyelhetően eltérő nanomintázatnak milyen biológiai szerepe van. Azt, hogy a párkeresésen kívül mi is lehet ez a funkció, a Magyar Természettudományi Múzeummal együttműködve sikerült kideríteniük. Bálint Zsolt muzeológus már korábban foglalkozott azzal a problémával, miért is eltérő ugyanazon bogárkalepke faj esetében a síkvidéki és hegyvidéki hímek színe, s a megoldást a szárnyakkal végzett hőmérsékleti mérések adták meg. Ezekből kiderült, hogy a hegyvidéki, barna hímek jobban felmelegszenek a napsugarak hatására, mint a síkságokon élő kék példányok. A szárnyak szerkezetéről készített elektronmikroszkópos felvételek az eltérő színek mögött rejlő eltérő szerkezetet is feltárták: a kék lepkeszárnyban olyan „nano-csipkét” találtak, amely teljesen hiányzott a barna példányokból. Ennek a hiánynak tulajdonítható, hogy a barna példányok a kék hímekkel ellentétben, képesek melegedésre fordítani a látható spektrum kék tartományában érkező sugárzást is. Ez az alkalmazkodás megnöveli túlélési esélyeiket a hegyvidéki zord klímában. Az MFA nanotechnológusai számára pedig éppen ez a nano-csipke szerkezet tűnt érdekesnek: ezt ugyanis – amint azt a Physical Review című tekintélyes tudományos folyóiratban megjelent cikkükben leírták – úgynevezett fotonikus kristályként azonosították.
Döntő különbség. A pásztázó elektronmikroszkópos felvétel a kék (felső kép) és a barna boglárkalepke hímek pikkelyiről készült. Jól látszik, hogy a barna pikkelyen, a gerincek és bordák közötti térben
A fotonikus kristályok olyan három dimenzióban periódusos kompozit nanostruktúrák, amelyekben a fény mint elektromágneses hullám nem a megszokott módon viselkedik. Ezekben az anyagokban a fényhullámok a szerkezetből adódó, szabályosan elhelyezkedő akadályokba, úgynevezett szórócentrumokba ütközve irányt változtatnak, ami – például a lepkeszárny esetében – akkor is élénk színt eredményezhet, ha a kitin, amelyből a nanostruktúra kialakul, önmagában egyébként színtelen. A fotonikus kristályok azt jelentik a fény számára, amit a félvezetők az elektronok számára. A megfelelő felépítésű fotonikus kristályokban a fényhullámok elméletileg tetszés szerint terelhetők, azok akár „meg is hajlítják” a fényt, tehát akár fotonikus mikroáramköröket, mikroprocesszorokat is lehetséges volna létrehozni belőlük. A fotonikus csipek pedig számos előnnyel rendelkeznének a hagyományos, elektronokkal „működőkkel” szemben: gyorsabbak lennének, ráadásul kevesebb hőt is termelnének.
Az első mesterséges fotonikus kristályt 1990-ben állították elő a California University fizikusai, ám ez nekik szilíciumból sikerült. Az MFA kutatói most a lepkék módszerét akarják lemásolni. „Megpróbáljuk ellopni a természettől a lepke típusú trükköket – mondja Bíró László Péter -, távlati célunk, hogy mesterséges fotonikus áramköröket tervezzünk, és hozzunk létre. Ebben pedig óriási segítséget nyújthatna, ha megérthetnék, hogyan is alakul ki a pillangók bonyolult pikkelye.”
Ez meglehetősen nagy kihívás: a bábban kialakult fehérje alapú lepke-nanoszerkezet ugyanis alig néhány óra alatt nyeri el végleges formáját. Amikor a pillangó kibújik a bábból, a fehérjék kitinné szilárdulnak. „Ha megtanulnánk ilyet készíteni, a fotonikus kristályszerkezetet kihasználva akár egész falakat betöltő képernyőket is előállíthatnánk” – mondja Bíró László Péter.
Az ízeltlábúak további nagyravágyó tervek megvalósításához is ötleteket adhatnak. Az MFA fizikusai nemrég, egy hazai lepkefaj szárnyát vizsgálva, különleges optikai csalódást regisztráltak: a megfigyelő számára úgy tűnik, mintha a rovar színe a szárny síkjából kiemelkedve, kissé előre vetítve jelenne meg. „Ez már a holografikus megjelenítés ígéretét hordozza magában” – fantáziál a kutató. A lepkeszárny-kutatás tehát messzire vezet, ezért az MFA fizikusai most uniós és hazai kutatási támogatásokra pályáznak.
