אומנות הטבע: מדענים פיצחו את הסוד שמאחורי הצבעים המרהיבים של השפריריות

מרבית הצבעים שאנו מכירים בחיי היומיום מבוססים על חומרים כימיים הבולעים ומחזירים אור. לעומתם, בעלי חיים רבים בטבע מפיקים את צבעיהם באמצעות "צבעים מבניים" – צבעים הנוצרים כתוצאה מאינטראקציה של אור עם מבנים זעירים בקנה מידה ננומטרי. 

» רוצים לקבל עדכונים נוספים ? הצטרפו אלינו לווטסאפ / טלגרם / פייסבוק

אלא שעד היום, ניצב בפני המדענים אתגר משמעותי: המבנים הננומטריים בטבע אינם אחידים בגודלם, ולכן הצבע המתקבל נוטה להיות דהוי, חלש או משתנה בהתאם לזווית הראייה.

פרופ' בן פלמר מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב ותלמידת הדוקטורט טלי למקוף, הובילו קבוצת מחקר בינלאומית שחשפה שני מנגנונים אבולוציוניים מתוחכמים שבהם משתמשות השפריריות כדי להתגבר על בעיה זו. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת היוקרתי PNAS.

החוקרים גילו שככל שהכדוריות הננומטריות בגוף השפרירית גדולות יותר, כך צפיפותן – או מדד השבירה שלהן – נמוכה יותר. כתוצאה מכך, למרות השונות בגודל החלקיקים, כולם מחזירים בדיוק את אותו גוון של כחול או ירוק. למעשה, מנגנון זה יוצר אפקט הדומה למצב שבו כל הכדוריות הן בגודל אחיד, וכך מתקבל צבע עשיר ורווי יותר. בנוסף, במהלך התבגרותה של השפרירית מתרחש כיווץ מבוקר של אותן כדוריות, הנובע מעלייה בצפיפותן, ומאפשר את שינוי צבעה מירוק לכחול.

המנגנון השני מבוסס על מסנני צבע טבעיים. השפריריות "מטעינות" את הכדוריות הננומטריות בפיגמנט צהוב, המשמש כמסנן הסופג אור "מלוכלך" ומיותר. כך נותר רק הצבע המרכזי – עמוק, רווי ובולט יותר לעין.

חשיפת המנגנונים הללו התאפשרה בזכות שילוב של מספר שיטות מחקר מתקדמות. באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים ושימוש בדיפרקציית אלקטרונים – תופעה פיזיקלית שבה גל אור מתכופף ומתפזר בעת מעבר דרך פתח צר – ביצעו החוקרים אפיון של הננו-ספרות. בהמשך, בעזרת ספקטרוסקופיית מסה, המבוססת על אינטראקציה בין חומר לקרינה אלקטרומגנטית, הם זיהו את ההרכב הכימי שלהן.

החוקרים בחנו גם את אופן פיזור החלקיקים ומדדו את מקדם השבירה שלהם. כל הנתונים הללו שולבו בסימולציות ובחישובים שהובילו להבנת אסטרטגיית הצבע של השפריריות – הגברת הרוויה (סטורציה) של הצבע המתקבל ממקבץ הננו-ספרות.

"הטבע מצא דרך אלגנטית להפליא לייצר צבעים מושלמים תוך שימוש ברכיבים שאינם מושלמים", מסביר פרופ' פלמר. "האסטרטגיות שחשפנו בשפריריות מראות כיצד בעתיד ניתן יהיה לייצר חומרים אופטיים מתקדמים ויעילים באמצעות טכנולוגיות שנלמדו מהטבע ורכיבים אורגניים בני-קיימא, במקום הכימיקלים הרעילים שבהם התעשייה תלויה כיום".

למקוף מוסיפה: "זוהי פריצת דרך מדעית הפותחת פתח לייצור צבעים 'ירוקים' לחלוטין, שלא ידהו לעולם בשמש. עבור תעשיות הקוסמטיקה, הטקסטיל, המזון ואף תחומי צביעת המכוניות והמטוסים ללא שימוש במתכות כבדות או בחומרים מזהמים – מדובר בבשורה של ממש".

קבוצת המחקר כללה את לוטם אלוס ופרופ' דן אורון ממכון ויצמן למדע; ד"ר אלברט בטושנסקי, יהל פישמן, נילה תאודור, קשת שביט ולהב הייטנר מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב; ד"ר אלמוט קלבר מאוניברסיטת לונד שבשוודיה; וד"ר יוהנס האאטג'ה מאוניברסיטת אלטו שבפינלנד.

המחקר (מענקים מס' 1565/22 ו-833/23) נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (ISF), קרן עזריאלי, תוכנית המחקר של מועצת המחקר האירופית (ERC) – מענק מס' 852948 (CRYSTALEYES) ומענק מס' 101096020 (BoX-BOOM) – וכן מענק מס' 347789 מטעם מועצת המחקר של פינלנד.

» פורסם בחדשות