Úžasné, nádherné a fascinující barevné kresby na křídlech tropických motýlů jsou dílem světla. Více než na pigment vsadili tito motýli na způsob, jakým se světlo odráží od mikroskopických struktur na jejich křídlech.

Odhalení fascinujícího tajemství může mít zajímavé využití v oboru zabezpečení tištěných cenin, například bankovek.

Nádherné, přelétavé a fascinující barevné klenoty v podobě motýlů i dalšího hmyzu už dlouho trápí vědce z několika oborů otázkami typu: „Jak dokážou motýli svá křídla tak nádherně a pestře rozzářit? Proč si s nimi dala příroda takovou práci?

A jak to, že tak nápadné a nepřehlédnutelné živočichy už dávno nevyhubili predátoři?“.

Smaragdový karton na vajíčka

Mathias Kolle (kdo to je?) spolupracoval s profesorem Ullrichem Steinerem a profesorem Jeremym Baumbergem z Cavendishovy laboratoře Cambdridgské univerzity ve Velké Británii. Vzali si pod drobnohled indonéského motýla z rodu otakárků (Papilio) s latinským názvem Papilio blumei.

Křídla tohoto nádherného, smaragdově zabarveného motýla jsou utvářena složitými mikroskopickými strukturami, které pod mikroskopem připomínají podstatně méně fascinující tvary kartonu na vajíčka. Díky tomu, že jsou tvořeny oddělenými vrstvami kutikuly (povrchové vrstvy), jež specifickým způsobem lámou světlo, produkují tyto struktury i intenzivní barvy.

Za použití nanotechnologických postupů – např. schopnosti vytvářet vrstvy o tloušťce jednoho atomu – vytvořil Kolle se svými kolegy téměř identickou kopii šupinek motýlích křídel. Jejich kopie láme světlo se stejně fascinujícím efektem živých barev jako skutečné motýlí křídlo.

Přírodní inspirace a technologie

„Rozluštili jsme jedno z tajemství přírody a kombinací těchto poznatků se současným stavem rozvoje nanotechnologií můžeme napodobovat složité optické vzory nalezené v přírodě. I když je příroda dokonalejší v sebeorganizaci, my máme tu výhodu, že můžeme použít širší škálu uměle vytvořených materiálů, abychom optimalizovali námi vytvořené optické struktury,“ komentoval tento úspěch sám Kolle.

Objev struktur, které ze světla vytvářejí obrazy na motýlích křídlech, je zajímavý v různých souvislostech. Technology však zajímá především hlubší pochopení fyziky jevů, aby je mohli využít v mnoha slibných aplikacích v oblasti zabezpečení tiskovin.

Stokoruna s pavím okem?

„Tyto umělé struktury by mohly být použity pro šifrování informací v optických podpisech na bankovkách nebo jiných ceninách k jejich ochraně proti padělání. Systém, který máme, musíme neustále zlepšovat, abychom byli krok před podvodníky.

V budoucnu bychom však mohli vidět, jak struktury založené na křídlech motýlů září na bankovce nebo v našem cestovním pasu,“ upřesňuje Kolle některé možné aplikace.

Vědce také zajímalo, proč se tak složitý způsob, jak dosáhnout barevných efektů, vyvinul právě na křídlech motýlů. Proč příroda nesáhla po osvědčeném způsobu barevných pigmentů? I motýli totiž používají svá křídla pro utajení.

Čeho? Sebe sama. Křídla otakárka Papilio blumei totiž nemusejí být pro každého zelená.

Jak vysvětluje Mtthias Kolle: „Lesklé zelené plošky na křídlech tohoto tropického motýla jsou ohromujícím příkladem vynalézavosti přírody v optickém designu. Se správným optickým vybavením se nám tato místa jeví jako nádherně jasně modrá, ale pouhým okem je uvidíte zelená.“ Jiná změna barev způsobí, že to, co je pro motýly jednoho druhu velmi krásné a sexy, mohou vidět predátoři jako »velmi nechutné«.

Zdánlivě jednoduché tajemství

Vypadá to jako geniální produkt evoluce. Díky složitosti stavby očí a různých způsobů vidění jak motýlů, tak jejich predátorů, se spřátelení motýli a potenciální partneři vidí v jiných barvách, než je vidí jejich nepřátelé. Přesně řečeno nevidí, protože motýli jsou pro jejich oči dokonale maskovaní.

Motýli Papilio blumei se navzájem spolehlivě rozeznávají i v záplavě zelených rostlin, protože se vidí jako jasně modří. Predátoři, které by mohlo napadnout si dát motýla jako další chod, nebo ho napíchnout na špendlík, by ho museli nejdříve rozeznat jako zelenou skvrnu mezi tisíci jinými zelenými skvrnami pralesa.

Detaily motýlího tajemství odhalili vědci nedávno, teprve před několika lety, kdy jim potřebné nástroje poskytl nanotechnologický výzkum. Marco Giraldo z univerzity v nizozemském Groningenu například zkoumal struktury povrchu křídel bělásků zelných a dalších motýlů z čeledi běláskovitých (Pieridae).

Běláskovité proto, že jejich zabarvení je »jednoduché«. Výsledky však naopak ukázaly zajímavé a složité souvislosti.

Vidíme jen to, co nám motýli dovolí?

Giraldo objasnil, jak je barevný efekt křídel bělásků vytvářený nanostrukturami s podporou specifických pigmentů. Ačkoliv prostorové uspořádání struktury šupinek závisí na druhu, existuje několik shodných pravidel.

Šupinka se skládá ze dvou vrstev spojených pilíři. Podpovrchová struktura je prakticky hladká, ale horní povrch je tvořen množstvím prodloužených paralelních žeber vzdálených asi jeden až dva mikrometry.

Barvu, kterou uvidí oko pozorovatele, určuje lom světla ve struktuře křídla a pohlcování světla přítomným pigmentem. Pigment obsažený v křídlech bělásků pohlcuje například ultrafialové světlo a určité modré světlo.

Naopak odráží a rozptyluje současně světlo ve vlnových délkách, které vidíme jako bílé a žluté.

Vždycky se objeví nějaké nové »proč?«

Křídla bělásků jsou »konstruována« velmi účinným způsobem. Obě strany křídel pokrývají dvě překrývající se vrstvy šupinek, které odrážejí světlo. Zvýšení počtu vrstev by sice zvýšilo ještě o něco účinnost odrazu, ale křídlo by už bylo nepřiměřeně těžké.

Zajímavé bylo i porovnávání stavby a pigmentace křídel různých druhů bělásků.

Vědci například zjistili, že při vyhledávání partnerek mají oproti evropským běláskům výhodu bělásci japonští. Proč?

Křídla samečků i samiček z Evropy obsahují pigmentová zrna, která jsou příčinou absorpce ultrafialového záření. Stejně jako křídla samečků japonských bělásků. Jen křídla samiček těchto japonských bělásků ultrafialové světlo neabsorbují.

Proč je to výhoda? Běláskové na rozdíl od lidí vidí i ultrafialové světlo a tak ti japonští mají už na dálku jasno, jestli běláska, který právě přiletěl, budou obletovat, nebo spolu jen nezávazně dají řeč u kapky nektaru.

I když technologická záhada je objasněná, vždycky se objeví další otázka – například proč se vyvinul takový rozdíl?

K čemu jsou motivováni motýli?

Výzkumní pracovníci zcela vážně zkoumali, co je důvodem vítězství jednoho ze samečků při motýlím souboji. Není to velikost, věk ani energetická rezerva, zdá se však, že je to vysoká motivace.

„Představa, že individuální motivace může mít takový vliv, je zcela nové a vzrušující zjištění,“ říká zoolog Martin Bergman z univerzity ve Stockholmu. Můžete vidět sírově žluté a oranžové motýly, kteří jsou v neustálém pohybu nad obrovskými oblastmi a třeba motýli v barvách pavího ocasu jak tráví čas vázání na jedno místo, kde vyhlížejí samičku.

Ačkoliv by se mohlo zdát, že jsou usedlejší, není to tak docela pravda. Hájí si své místo na slunci a ve tvrdých a dlouhých soubojích vyhánějí ostatní samečky. Takže, až uvidíte romanticky se třepotající motýly, může jít o souboj doslova na život a na smrt.

Na slunném místě je větší šance přilákat samičku a rozmnožit se, poslat své geny dál, a to je silná a pochopitelná motivace.

Nejen motýlí, ale i paví finesy

Měňavá barevnost, kterou obdivujeme ve volné přírodě je výzvou pro mnoho vědců a technologů – jaký je princip a jak by se dal napodobit? Korejské vědce inspirovala motýlí křídla nebo možná paví ocas k přípravě tiskárny, která nanáší magnetické nanočástice ve vhodném médiu ve směsi s látkou kterou lze vytvrdit UV zářením.

Magnetický inkoust je po nanesení na plochu vystaven působení strukturovaného magnetického pole. Podle toho se přeskupí magnetické nanočástice a mění se způsob odrazu světla.

Původní inkoust je prý hnědý, s pomocí jednoho nebo více elektromagnetů je v něm možné »vyvolat« vícebarevné linie, vyvolávat obraz po částech, čarovat s barvami. Pak se obraz ustálí UV zářením, látka, která trochu připomíná pryskyřici, ztuhne a barvy se už nemění.

Zvědaví technologové uvažují i o tisku, kde by vytvrzení bylo vratné, a obraz by se tak dal měnit.