Khi nghiên cứu về màu xanh lá cây và màu đỏ tươi trên một loài bọ hung cánh cứng, các nhà khoa học đã phát hiện ra điều thú vị: nguyên nhân làm cho quang phổ phản chiếu của những con bọ này khác thường là do khiếm khuyết trong cấu tạo của lớp vỏ cứng của chúng.
Việc hiểu được cấu tạo này có thể giúp các nhà khoa học thiết kế những vật phản xạ nano có tính chiral để sử dụng trong công nghệ laser và hiển thị trong tương lai. Với hơn 30.000 loài bọ hung cánh cứng sống trên khắp thế giới, loài Gymnopleurus virens là loài được nghiên cứu chủ yếu. Đây là một loại bọ hung được tìm thấy chủ yếu ở Nam Mỹ.
Trong những năm 90, các nhà khoa học phát hiện ra rằng loài bọ hung cánh cứng này phản chiếu ánh sáng bên tay trái (ánh sáng bị phân cực vòng quanh bên trái) và gần như không phản chiếu ánh sáng bên tay phải. Điều này là một hiện tượng duy nhất trong thiên nhiên mà chúng ta biết đến.
Sự phản chiếu ánh sáng chỉ bên trái của những con bọ hung cánh cứng này xuất phát từ khiếm khuyết trong cấu tạo của lớp vỏ cứng. Vỏ của chúng bao gồm nhiều lớp sợi nhỏ xếp song song, tạo ra sự ưu tiên cho ánh sáng bị phân cực theo hướng của các sợi này. Mỗi lớp có một chút lệch so với lớp trên, tạo thành một chồng mặt đinh ốc xoắn về hướng bên trái. Điều này làm cho ánh sáng bị phân cực phản chiếu vòng quanh bên trái và có thể thấy rõ nhờ vào hình dạng xoắn ốc của sóng.
www.lrc-hueuni.edu.vn“Tại sao thiên nhiên lại biến những con bọ hung cánh cứng trở nên đặc biệt chỉ phản chiếu ánh sáng bên trái, đó là một câu hỏi khó,” nhà khoa học Johan Brink phát biểu. “Màu sắc trong côn trùng thường là một loại thỏa hiệp giữa sự ngụy trang và nỗ lực tìm kiếm bạn tình. Những con bọ hung này có lẽ đang cố gắng làm cho mình dễ thấy hơn bằng cách mở rộng dải phản chiếu. Tuy nhiên, điều này chỉ là một ý kiến chưa được chứng minh một cách sâu rộng.”
Cùng với ông Brink, các nhà khoa học Nick van der Berg và Linda Prinsloo từ trường đại học Pretoria, Nam Mỹ, và Ian Hodgkinson từ trường đại học Otaga, New Zealand đã giải thích tại sao loài bọ hung này có màu sáng khác thường và quang phổ phản xạ lớn hơn so với các loài bọ hung khác.
“Từ sự không tương xứng giữa các tính toán của quang phổ đã đo được và các tính toán dựa trên cấu trúc chiral hoàn hảo, chúng tôi đã nghi ngờ rằng phải có điều gì đó “không ổn” trong cấu tạo của lớp vỏ của những con bọ này. Qua phương pháp thử và sai, chúng tôi đã khám phá ra rằng, chúng ta có thể tái tạo quang phổ gần giống như thật bằng cách thừa nhận một số chỗ hỏng trong cách sắp xếp của những lớp sợi trong vỏ cứng của chúng. Chỉ khi chúng tôi có ý tưởng tìm kiếm cái gì đó, thì chúng tôi mới khám phá ra cách mà những con bọ cánh cứng này đã thực hiện “thủ thuật” này như thế nào.”
Bằng phương pháp chiếu ánh sáng lên vỏ cứng của các con bọ hung và phân tích ánh sáng phản chiếu, các nhà khoa học đã quan sát được sự biến đổi khó hiểu trong quang phổ, cho thấy sự tồn tại của sự nhiễu loạn trong các lớp mặt đinh ốc trong vỏ cứng của chúng.
Bằng kính hiển vi quét electron, nhóm nghiên cứu đã phát hiện một khiếm khuyết thú vị: trong khi ban đầu các lớp sợi nhỏ có vẻ xếp cách đều nhau, các nhà khoa học đã xác định một điểm nơi khoảng cách giữa các lớp thay đổi đột ngột khoảng 10% ở tỷ lệ micromet. Mô hình này đã mở rộng dải hệ số phản xạ lên đến 4 lần so với chiều rộng của một chồng mặt đinh ốc hoàn hảo.
Các nhà khoa học còn đang nghiên cứu lý do vì sao một số con bọ hung có màu đỏ trong khi một số con khác lại có màu xanh. Nếu xét từ góc độ chất liệu, cả hai tính chất khác nhau này có thể chỉ khác ở độ dày của các lớp sợi trong vỏ cứng của chúng. Một giải thích khác là, các màu sắc khác nhau trên mỗi con bọ cánh cứng xuất hiện khi góc rơi tăng.
“Có thể những con có màu xanh da trời phát triển chậm hơn, có thể do điều kiện sống khô cằn hơn,” ông Brink nói. “Những con có màu đỏ thường được tìm thấy ở những vùng ẩm ướt hơn, nơi chúng phát triển nhanh hơn và tạo ra nhiều lớp vỏ dày hơn. Điều này có liên quan chặt chẽ với ý tưởng làm cho chúng dễ thấy hơn.”
Các nhà khoa học còn cho biết rằng, hiểu được cách mà thiên nhiên sử dụng “chế tạo không hoàn hảo” để làm nổi bật các tính chất quang học của các con bọ hung có thể đem lại ứng dụng cho công nghệ laser và hiển thị.
“Các ứng dụng tiềm năng của việc “chế tạo không hoàn hảo” này có thể là vật phản xạ laser băng rộng cho các thiết bị laser bán dẫn và máy lọc nhọn đầu băng hẹp thường được sử dụng trong quang phổ học để xác định và phân loại vật liệu và khoáng sản,” ông Brink giải thích.
Tìm hiểu được cách mà sự chế tạo “không hoàn hảo” của thiên nhiên làm nổi bật các tính chất quang học của các con bọ hung có thể mang lại những ứng dụng tuyệt vời cho công nghệ laser và hiển thị trong tương lai.
