Наноструктуры крыльев цикад с серебряным покрытием усиливают сигналы молекулярного детектирования

Учёные из Китайского медицинского университета и Национального Тайваньского университета показали, что наноструктуры крыльев императорской цикады можно использовать для значительного усиления сигналов в методах молекулярного детектирования. Результаты исследования опубликованы в журнале AIP Advances.

Наноструктуры крыла императорской цикады до и после нанесения покрытия из наночастиц серебра. Авторы: Хонг и др.

При сильном увеличении поверхность крыла императорской цикады напоминает странный ландшафт, усеянный плотно упакованными наноразмерными шпилями. Эти упорядоченные структуры могут выступать в качестве оптического метаматериала, изменяя взаимодействие световых волн с веществом.

Как крылья цикад улучшают детектирование

Исследователи заинтересовались использованием структуры крыла цикады для улучшения поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS). Этот метод позволяет усиливать слабый сигнал рассеянного света, который служит «молекулярным отпечатком», за счёт усиленных электрических полей в зазорах между металлическими наноструктурами.

Искусственное создание таких наноструктур — дорогостоящий и трудоёмкий процесс. В то же время крылья цикад представляют собой готовый, однородный и масштабируемый шаблон.

«Мы хотели продемонстрировать, что, комбинируя естественный наноразмерный дизайн природы со стандартными технологиями тонких плёнок, можно достичь производительности SERS, сравнимой с искусственно созданными структурами», — заявил автор работы Чунг-Хунг Хонг.

Серебряное покрытие и результаты

Команда нанесла наночастицы серебра на шпили крыльев цикад двумя методами: распылением и электронно-лучевым испарением. В первом случае наношпили превратились в цилиндрические столбики, а во втором — приобрели более коническую форму.

Анализ показал, что наиболее перспективными оказались цилиндрические наноструктуры, разделённые зазорами в пять нанометров. Эти микроскопические промежутки создают оптимальные условия для формирования стабильных «горячих точек» электромагнитного поля, что усиливает производительность SERS в миллион раз по сравнению с непокрытыми крыльями цикад.

Будущее применение и потенциал

В перспективе команда надеется распространить этот подход на создание сенсоров, работающих в микроволновом и миллиметровом диапазонах, для обнаружения биомолекул и загрязнителей окружающей среды.

«В будущем этот био-шаблонный подход может быть расширен на другие природные микро- и наноструктуры, такие как крылья бабочек или листья растений, и интегрирован с портативными сенсорами для быстрого обнаружения патогенов и загрязнителей», — сказал Хонг.

Исследование демонстрирует, как биологические наноструктуры могут направлять инженерный дизайн, открывая путь к созданию устойчивых, недорогих и высокочувствительных сенсорных технологий.

Больше информации: AIP Advances (2025). DOI: 10.1063/5.0291146

Источник: American Institute of Physics