Công nghệ & sản phẩm mới, Khoa học và đời sống, Tin tức
SAXS phát hiện cấu trúc nano dẫn đến màu sắc sặc sỡ trên lông vũ của chim giẻ cùi
Một bí ẩn của tự nhiên được giải thích bởi các nhà khoa học từ Đại học Sheffield – Anh, họ đã đo đặc tính những chiếc lông sặc sỡ của loài chim giẻ cùi Âu-Á (Hình 1) tại beamline ID2 SAXS / WAXS tại Trung tâm nghiên cứu bức xạ Synchrotron châu Âu – ESRF. Nghiên cứu chỉ ra rằng màu sắc xen kẽ của lông vũ là do sự biến điệu không gian cấu trúc nano của chúng. Đây có thể là nguồn cảm hứng tuyệt vời cho ngành sơn hay dệt may để có màu sắc có thể điều chỉnh được mà không bị phai màu theo thời gian.
Thật vậy, màu cấu trúc có mặt khắp nơi trong tự nhiên. Tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) đã được sử dụng để hiểu mức độ kiểm soát chính xác làm thay đổi kích thước của cấu trúc nano trong lông vũ của chim giẻ cùi gây ra sự thay đổi màu sắc từ xanh lam sang trắng. Việc kiểm soát này được thực hiện bằng cách điều chỉnh khoảng thời gian phân tách pha β-keratin trước khi thủy tinh hóa.
Cường độ và sự đa dạng của màu sắc cấu trúc trong tự nhiên đã được biết đến. Nhưng chỉ gần đây, người ta mới hiểu được sự tinh vi của vật lý chịu trách nghiệm những hiệu ứng quang học này trên thang độ dài nanomet [1,2]. Lông chim đóng một vai trò quan trọng trong sự hiểu biết của chúng ta về màu cấu trúc, vì lông vũ chứa vật liệu β-keratin có cấu trúc nano có thể được nghiên cứu rất chi tiết sau khi khám nghiệm tử thi.
Phân tích Fourier hai chiều trên ảnh hiển vi điện tử [3] cho thấy màu xanh lam trong lông vũ là do sự giao thoa giữa các sóng ánh sáng, được tán xạ một cách nhất quán bởi ma trận cấu trúc nano keratin – không khí (Hình 3). Lông vũ màu xanh lam có chức năng như phản xạ Bragg. Kính hiển vi của đầu dò quét cho thấy màu xanh lam trong lông vũ của chim giẻ cùi là do cấu trúc giống như bọt xốp tạo ra (Hình 4a).
Để thăm dò kích thước của mẫu màu xanh lam và trắng trong lông vũ của loài chim giẻ cùi (Garrulus domainsarius, Hình 2), họ sử dụng thiết lập tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) tại beamline ID02. Bản đồ màu sắc không gian của lông vũ trong Hình 4b thu được bằng phép biến đổi Fourier của dữ liệu SAXS, phép đo này thăm dò cấu trúc tuần hoàn, từ đó xác định hệ số phản xạ quang học. Dữ liệu cho thấy sự biến điệu tuần hoàn trong miền đo và do đó, màu sắc như một hàm của vị trí, điều chưa từng thấy trong các cấu trúc nano này trước đây (Hình 4,5,6). Màu trong bảng trên cùng của Hình 4b được trích xuất từ dữ liệu SAXS; nó khớp chính xác với màu sắc trong hình ảnh quang học (bảng phía dưới) cho thấy mối liên hệ giữa cấu trúc nano và hệ số phản xạ quang học.
(a) Chim chích chòe than Cotinga (Cotinga maynana) , (d) Chim Sả rừng Ấn Độ (Coracias benghalensis) và (g) Chim Bói cá Anh (Alcedo atthis) cùng với các hàm tương quan (b, e và h) sử dụng phân tích hàm tương quan một chiều, thang đo y trong (b, e và h) là tùy ý, nó chỉ đơn thuần là mức độ quan trọng của độ dài tương quan. Suy ra được chu kỳ dài và độ rộng miền β-keratin (c, f và i).
Với phạm vi vecto tán xạ q có sẵn trong thiết lập SAXS, họ có thể đo cấu trúc trong phạm vi động rộng dọc theo chiều dài của ngạnh lông vũ (Hình 6). Các nhà khoa học đã sử dụng phân tích hàm tương quan một chiều để trích xuất hình thái trong không gian thực và sự chuyển đổi về kích thước. Phương pháp này cũng đã được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu polyme bán tinh thể, sử dụng phần mềm CORFUNC để kiểm tra các cấu trúc tinh thể lamellae vô định hình. Với giả thiết duy nhất rằng mẫu là một hệ hai pha có sự khác biệt về mật độ electron, hàm tự tương quan cho phép xác định chu kỳ và độ rộng miền của cấu trúc nano (Hình 5,6).
Cấu trúc quang học chịu trách nhiệm về màu sắc của lông chim giẻ cùi được tạo ra bởi một quá trình phân tách pha được hãm lại ở giai đoạn sau và sự khác biệt màu sắc đạt được bằng cách kiểm soát thời gian phân tách pha. Cơ chế này dường như được chia sẻ rộng rãi giữa các loài chim, bò sát và lưỡng cư (Hình 5).
Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp và dịch.
Nguồn: https://www.esrf.fr/home/UsersAndScience/Publications/Highlights/highlights-2016/CBS/CBS01.html
Tìm hiểu thêm thiết bị tán xạ tia X góc nhỏ trong phòng thí nghiệm tại đây!
Công trình nghiên cứu và các tác giả:
Spatially modulated structural colour in bird feathers, A.J. Parnell (a), A.L. Washington(a,b), O.O. Mykhaylyk (c), C.J. Hill (d), A. Bianco (b), S.L. Burg (a), A.J.C. Dennison (e,f), M. Snape (a), A.J. Cadby (a), A.J. Smith (g), S. Prevost (h), D.M. Whittaker (a), R.A.L. Jones (a), A.R. Parker (i) and J.P.A. Fairclough (b), Nature Scientific Reports, 18317 (2015); doi: 10.1038/srep18317.
(a) Department of Physics and Astronomy, The University of Sheffield (UK)
(b) Department of Mechanical Engineering, The University of Sheffield (UK)
(c) Department of Chemistry, The University of Sheffield (UK)
(d) Department of Molecular Biology and Biotechnology, The University of Sheffield (UK)
(e) University Grenoble-Alpes, IBS, Grenoble (France)
(f) Institut Laue-Langevin, Grenoble (France)
(g) Diamond Light Source, Didcot (UK)
(h) ESRF
(i) Department of Zoology, Natural History Museum, London (UK)
Tài liệu tham khảo:
[1] A.R. Parker, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2, R15–R28 (2000).
[2] P. Vukusic et al., Science 315, 348–348 (2007).
[3] R.O. Prum et al., Nature 396, 28–29 (1998).
