Юный техник, 2015 № 06

Загадки хамелеона

Долгое время исследователи терялись в догадках, размышляя, как хамелеону — в общем-то, невзрачному и медлительному животному — удается так здорово маскироваться. Исследования, проведенные с самцами мадагаскарского пантерного хамелеона (Furcifer pardalis), показали, что в процессе знакомства и общения с самками и другими самцами они меняют окраску с сине-зеленой до ярко-красной всего за несколько минут.

Уже одно это явилось открытием, поскольку традиционно считалось, что хамелеоны изменяют окраску тела для мимикрии под окружающие их ветки или траву. Дальнейшие исследования обнаружили, что «показать товар лицом» при знакомстве умеют также и пестрые горные хамелеоны (род Bradypodion), живущие в Северной Африке.

Ученые провоцировали самцов хамелеонов на «дуэль» друг с другом и измеряли насыщенность окраски с помощью спектрометра, который позволял фиксировать излучение не только в видимой, но и в ультрафиолетовой части спектра. Использование такого прибора показало способность хамелеонов «окрашиваться» также в невидимые человеческому глазу цвета.

По результатам эксперимента не было обнаружено особой зависимости между диапазоном используемых цветов и особенностью местообитания хамелеонов. Наибольший разброс цветов окраски наблюдался у видов с наиболее ярко выраженным социальным поведением (в данном случае — соревнование двух самцов), а не у видов, живущих в местах с большим количеством разноцветных объектов (трава, стволы деревьев, листья).

Окраска хамелеонов, которые используют максимальное количество цветов, оказалась самой заметной не только для их сородичей, но и для хищников, что противоречит теории изменения цвета только для маскировки. Однако зачастую хищникам не удается напасть на ярко раскрашенных особей, поскольку те при малейших признаках опасности способны за несколько миллисекунд «раствориться» на фоне окружающей среды.

Дальнейшие исследования показали, что перемена окраски связана с особыми клетками внутри кожи — хроматофорами, перераспределяющими зерна пигментов четырех цветов. Эти пигменты поглощают видимый свет на всех длинах волн, кроме определенного (красного, например).

Однако недавно Мишель Милинкович (Michel Milinkovitch) из Женевского университета выяснил, что для хамелеонов еще важнее иридофоры — клетки, которые не поглощают свет, а преобразуют геометрическую структуру поверхности кожи, заставляя ее искривлять или отражать определенные волны.

М. Милинкович и его коллеги изучили кожу хамелеонов с помощью просвечивающей электронной микроскопии и обнаружили там два слоя иридофор. Верхний слой был покрыт нанокристаллами гуанина, выложенными в виде четко структурированной решетки.

Расстояния между отдельными кристаллами в решетке играют ключевую роль в смене окраски: когда самцы находятся в возбужденном состоянии, интервал увеличивается. Чем больше дистанция, тем сильнее отражается свет с большей длиной волны (красный). При сближении кристаллов начинает отражаться синий свет. Затем хамелеонам помогают уже ксантофоры (желтые пигментные клетки): они делают синий цвет зеленым, а красный — оранжевым или желтым.

Милинкович открыл еще и второй уровень кожи с иридофорами, расположенными уже более хаотическим образом. Они очень хорошо отражают свет в ближнем инфракрасном диапазоне. По мнению ученого, в жаркой и влажной среде, где живут хамелеоны, эти кристаллы являются важным механизмом защиты от перегрева.

Такое строение кожи, по всей видимости, является уникальным. Науке известны ящерицы, у которых кристаллы выстроены упорядоченным образом, и другие рептилии, на коже которых иридофоры отражают тепло. Однако только хамелеонам в ходе эволюции удалось совместить эти свойства.

Примерно к тем же выводам пришла и группа исследователей из Университета Женевы (Швейцария). «Мы выяснили, что хамелеон меняет цвет, активно управляя структурой решетки из нанокристаллов на поверхности кожи. Когда рептилия спокойна, кристаллы упакованы

в этой решетке достаточно плотно и отражают в основном синий цвет. С другой стороны, когда она становится беспокойной, решетка растягивается, в результате чего кристаллы начинают отражать и другие цвета, такие как желтый или красный», — объяснил журналистам Джереми Тейссье (Jeremy Teyssier), руководитель группы.

Тейссье и его коллеги раскрыли высокотехнологичные корни камуфляжа хамелеонов, еще более тщательно изучив структуру иридофоров. Как отмечают авторы исследования, сами эти клетки не являются чем-то необычным и новым — похожие на них кристаллы и структуры встречаются на крылышках многих бабочек, панцирях других насекомых, крыльях птиц и даже в синих складках на мордах павианов-мандрилов.

Главным отличием всех этих животных от хамелеонов является то, что они не могут менять структуру этих светопреломляющих органов. Сегодня на Земле существует всего несколько видов существ, способных менять окраску, и большая часть из них относится к числу головоногих моллюсков. Однако лишь хамелеоны мастерски пользуются не только пигментами кожи, но и фотонными нанокристаллами, позволяющими управлять светом с предельной точностью.

Хамелеоны способны раскрашивать шкуру самыми различными узорами и цветами.

Сейчас исследователи размышляют, каким образом добытые ими сведения могут быть применены на практике, например, при разработке новых средств и способов камуфляжа. И кое-что уже придумали. Так, ученые из Калифорнийского университета в Беркли создали ультратонкий материал, который может менять цвет на наноуровне, как и кожа хамелеона, в зависимости от натяжения, сгибания или надавливания.

Цвет большинства природных материалов (а также красок, тканей) зависит от их химического состава. Когда белый свет попадает на поверхность этих материалов, волны света определенной длины поглощаются, а остальные отражаются обратно в окружающее пространство. Благодаря этому мы и воспринимаем определенные цвета. Изменение цвета, таким образом, требует изменения химического состава материала. Изобретение американцев использует иной подход к созданию цвета.

Материал изготовлен с помощью так называемой структурной окраски. То есть цвет поверхности (поглощаемые и отражаемые волны) определяет структура материала. Это неновое явление — природа таким образом создает радужные переливы павлиньих перьев, крыльев бабочек или экзоскелетов жуков. Еще 300 лет назад Исаак Ньютон предположил, что некоторые структурные методы окрашивания могут быть использованы при промышленном и коммерческом производстве.

Вот как работает искусственная кожа хамелеона. Кремниевая пленка, которая в 1000 раз тоньше человеческого волоса (около 120 нм), крепится на слой силикона, а затем на нее наносятся крошечные (меньше длины волны света) ребра. Кремниевый слой настолько гибок, что его можно сравнить с кожей, причем крепиться он может практически к любой поверхности.

Изменяемое расстояние между ребрами-рифлениями, или микрогофрами, позволяет получать различные цвета. Кроме того, материал имеет высокую отражательную способность. Он отражает до 83 % падающего света, так что на деле искусственная кожа оказывается столь же яркой, как и кожа настоящего хамелеона. Материал производит чистые цвета — от зеленого до желтого, оранжевого и красного.

А еще новый материал оказался намного более легким и гибким, чем получалось раньше. «Это первый случай, когда кому-то удалось изготовить гибкую структуру, подобную хамелеоновой коже, которая может изменять цвет просто при сгибании, — говорит Конни Чан-Хэзнайн, член исследовательской группы, проводившей эксперименты. — Если у вас есть поверхность с определенными структурами, расположенными таким образом, чтобы взаимодействовать с волнами света определенной длины, вы можете изменять ее цвет, влияя на ее свойства и размеры».

Разработчики полагают, что материал на основе кремния может найти применение при изготовлении энергосберегающих цветных дисплеев, различных камуфляжных материалов и покрытий. А еще их можно использовать для визуального отображения структурного износа зданий, мостов, крыльев самолетов и других важных конструкций (при появлении трещины слегка изменяется натяжение материала, а значит, даже незначительные трещины станут более заметными для глаза человека).

Исследователи также сумели создать ткань, которая может изменять свой цвет в зависимости от того, каким образом она согнута. Основой для этого материала стал полупроводник силикон. В мельчайшие разрезы на его поверхности ученые вставили также силиконовые частицы шириной 120 нм, которые способны отражать волны разного спектра и, соответственно, окрашиваться в разные цвета — зеленый, желтый, красный или оранжевый. Цвет, в который окрасится ткань, зависит от того, каким образом она согнута или сложена, причем изменяется он мгновенно.

Ну, а в широком смысле речь идет о создании материалов, которые позволят полностью изменить облик нашего мира.

А. МАРКОВ

Знакомьтесь, беговел…

Вообще-то имя барона осталось в истории техники прежде всего как изобретателя дрезины — тележки с ручным приводом для передвижения по рельсам. Однако поскольку барон некоторое время занимал еще и должность лесничего, то ему понадобился транспорт, который бы позволял быстро объезжать лесные угодья. А потому перед тем, как на свет появились первые велосипеды (их название происходит от латинского velox — быстрый и pedes — ноги), их предшественником был еще один механизм, который сам Карл Дрез назвал «машиной для бега» (laufmaschine). А его современники придумали этой конструкции еще одно язвительное прозвище — «костотряс».

Он представлял собой деревянный беспедальный велосипед, передвигаться на котором седок должен был, отталкиваясь попеременно ногами от земли. С появлением педальных велосипедов о конструкции Дреза надолго забыли. И вспомнили о ней относительно недавно, уже в XXI веке.

Конечно, при современных технологиях уже никто не собирается строить конструкцию, названную «беговел» (то есть «беговой велосипед») из дерева. Ныне в производстве беговелов в американской фирме Strider под руководством Райана МакФарланда используют в основном пластик.

Американцы со свойственным им размахом выпустили на рынок сразу несколько модификаций беговелов под марками Swift, Cruzee, Early Rider, Puki, Kokua, Firstbike и другими в расчете на детей в возрасте от 2 до 6 лет.

Конструкция беговела проста. Это прежде всего два пластиковых колеса, которые связаны между собой ходовой частью в виде простейшей велосипедной рамы открытого типа.

Вот, собственно, и все.

Здесь нет обычных велосипедных педалей, шатунов, каретки, цепи, звездочек привода и даже тормозов. И разгоняться, и останавливаться придется исключительно с помощью собственных ног.

Схема основных узлов и частей конструкции.

Даже по сравнению с обычным детским велосипедом беговел для самых маленьких выглядит лилипутом.

Кстати, наши читатели вполне могут изготовить такой беговел самостоятельно для младшего брата или сестры, а то и для собственного удовольствия. Раму можно выпилить из толстого пластика или фанеры (у барона Дреза она тоже была деревянной). Колеса, вилку и другие детали проще всего позаимствовать у вышедшего из употребления детского велосипеда или купить в магазине запчастей. Можете вы, конечно, пойти и по стопам барона Дреза, выточив детали из дерева.

Эксперты утверждают, что беговел подходит для любого времени года. Например, закрепив прямо на его колесах детские пластиковые лыжи, можно зимой кататься с горок или ездить на прицепе вместо санок. Ну, а летом просто использовать для прогулок, тренировок и даже соревнований.

Овладев техникой езды на беговеле, малыши потом легко пересаживаются на обычные детские велосипеды. Первичные навыки езды у них уже есть.

Так что, как видите, вопреки известной поговорке, велосипед все еще продолжают изобретать. И придумывают для него все новые сферы применения. Не исключено, например, что когда-нибудь велосипедисты прокатятся по поверхности Луны и Марса…

ДАВАЙТЕ НАПЕЧАТАЕМ…

Первый в мире нейлоновый велосипед, напечатанный на 3D-принтере, весит на 65 % меньше, чем его алюминиевые аналоги, а по показателям прочности может конкурировать со стальными конструкциями.

Для изготовления такого велосипеда, или беговела требуется еще и в 10 раз меньше материала, чем обычно. Так что не случайно сегодня трехмерная печать считается перспективным направлением, способным произвести революцию в аэрокосмической, машиностроительной, автомобильной индустрии и многих других отраслях. 3D-принтеры могут с высочайшей точностью воспроизводить любые элементы. При этом стоимость изготовления практически не зависит от уровня сложности конструкции