Motyle inspirują naukowców do tworzenia energooszczędnego budownictwa

Inspiracją dla naukowców jest przyroda, a konkretnie motyle o ekstremalnie czarnym lub niemal śnieżnobiałym ubarwieniu. Ich niezwykłe kolory nie wynikają z obecności pigmentów, lecz z mikrostruktur – precyzyjnych wzorów na powierzchni skrzydeł. To właśnie te struktury odpowiadają za zdolność owadów do silnej absorpcji światła w przypadku ciemnych barw albo do intensywnego odbijania promieni słonecznych w przypadku barw białych. Odgrywa to kluczową rolę w regulacji temperatury ich ciała.

Powłoki przyszłości: czerń i biel z natury

Głównym celem projektu jest zbadanie zależności między strukturą a właściwościami termicznymi bioinspirowanych, nieorganicznych cienkowarstwowych materiałów o ekstremalnie czarnym lub bardzo białym zabarwieniu, w nawiązaniu do ich naturalnych odpowiedników występujących u owadów.

Dla badaczy będzie to punkt wyjścia do opracowania cienkowarstwowych, bioinspirowanych powłok:

•      pochłaniających światło – jak skrzydła czarnych motyli, idealne do pasywnego ogrzewania,

•      odbijających światło – jak pancerze białych owadów, skutecznie wspomagające chłodzenie.

Badacze chcą też lepiej zrozumieć ewolucję owadów przez wykonywanie w laboratorium analogów skrzydeł motyli z opracowanych materiałów, następnie pomiar ich właściwości termicznych oraz powiązanie ich z istniejącymi gatunkami. Pozwoli to projektować bardziej wydajne materiały do regulacji temperatury i pomoże w lepszym zrozumieniu zagadnień istotnych dla zoologii.

Energetyczny potencjał technologii

Opracowywane powłoki mogą w przyszłości pokrywać elementy budynków lub urządzeń i częściowo zastępować systemy klimatyzacyjne czy grzewcze o wysokim zużyciu energii – a wszystko bez potrzeby zasilania zewnętrznego. Zastosowanie bioinspirowanych powłok może prowadzić do istotnych oszczędności energii w budynkach, które odpowiadają za około 40% całkowitego zużycia energii w Unii Europejskiej. Wprowadzenie pasywnych technologii ogrzewania/chłodzenia, chociażby w budynkach użyteczności publicznej, takich jak szkoły czy szpitale – mogłoby przełożyć się na realne korzyści finansowe i dla środowiska. 

Od motyla do laboratorium

Naukowcy planują wytworzyć nowe materiały na drodze magnetronowego rozpylania katodowego, aby w taki sposób uzyskać struktury analogiczne do tych występujących u owadów - o takich samych właściwościach optycznych i termicznych. Magnetronowe rozpylanie katodowe to nowoczesna technika, w której do wnętrza specjalnej komory wprowadza się gaz (np. argon), w komorze umieszcza się materiał, z którego chcemy uzyskać powłokę. W wyniku działania pola magnetycznego i napięcia, jony gazu „uderzają” w ten materiał, z jego powierzchni „wybijane” są atomy, które osadzają się na powierzchni powlekanej, tworząc bardzo cienką, jednorodną warstwę.

Następnie zostaną przeprowadzone pomiary odbicia światła i dzięki tym danym eksperymentalnym, uzupełnionym o dane teoretyczne, możliwe będzie określenie własności struktur. Na koniec zostaną przygotowane moduły termoelektryczne, które zostaną pokryte opracowanymi warstwami i poddawane działaniu promieniowania słonecznego, aby jakościowo i ilościowo określić czy opracowane powłoki pochłaniają i odbijają ciepło słoneczne.

Synergia nauk – od fizyki po zoologię

Projekt realizowany jest przez interdyscyplinarne konsorcjum, które łączy ekspertów z różnych dziedzin:

-      naukowców zajmujących się nanomateriałami i termoelektryką z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki,

-      fizyków z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, specjalizujących się w charakteryzacji struktur,

-      zoologów owadów z Centrum Edukacji Przyrodniczej Uniwersytetu Jagiellońskiego,

-      oraz ekspertów od modelowania optycznego z Uniwersytetu w Chicago i Karlsruhe Institut of Technology. 

To nie tylko przykład wzorowej współpracy naukowej, ale też dowód na to, że prawdziwe innowacje powstają na styku różnych dziedzin. Całością kieruje dr hab. Michał Borysiewicz z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki.

- Udało mi się zaprosić do współpracy naprawdę interdyscyplinarny zespół wysokiej klasy specjalistów. Myślę, że razem zrobimy coś fantastycznego - ciekawego naukowo, a jednocześnie bardzo bliskiego praktycznemu zastosowaniu. Mamy świetnych zoologów owadów z UJ pod kierownictwem prof. Tomasza Pyrcza, fizyków z grupy prof. Mariusza Zdrojka oraz współpracowników spoza Polski: w Chicago jest grupa prof. Dakoty McCoy - specjalistki od badania czarno ubarwionych motyli, pająków, ptaków i mięczaków, a w Karlsruhe grupa prof. Hendrika Hölschera - specjalizująca się w biomimetycznych strukturach. Bardzo się cieszę z tego, że otrzymałem już drugi grant Opus z Narodowego Centrum Nauki, dzięki dofinansowaniu możemy realizować tak fascynujące i potrzebne badania – mówi dr hab. Michał Borysiewicz, kierownik projektu z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki, wskazując na kluczową rolę interdyscyplinarnej współpracy i zaangażowania badaczy w powodzenie przedsięwzięcia.

Czy opracowywane powłoki będą testowane także w warunkach rzeczywistych – na przykład na elementach fasad budynków lub modułach fotowoltaicznych?

W ramach projektu powłoki będą testowane jako pokrycia generatorów termoelektrycznych, które zamieniają różnicę temperatur w prąd elektryczny. Zakładamy, że pokrycie strony generatora wystawionego na słońce czarną powłoką zwiększy jego wydajność, a tym samym umożliwi zastosowanie w elementach konstrukcyjnych. Realizowany projekt dotyczy badań podstawowych, dlatego też powłoki testowane na większych elementach są planowane dopiero po jego zakończeniu.

Jakie są największe wyzwania technologiczne z odtworzeniem mikrostruktur skrzydeł motyli w warunkach laboratoryjnych, przy użyciu magnetronowego rozpylania katodowego?

Największym wyzwaniem jest uzyskanie odpowiedniej mikro- i nano- struktury. Łuski na skrzydłach motyli posiadają kilka poziomów struktur, które powstały poprzez samoorganizację, zaprogramowaną w DNA tych owadów. Struktury tego typu często są trudne do odwzorowania, ze względu na ich zamkniętą porowatość. Powłoki wytwarzane przez człowieka, z własności procesu, mają strukturę porów otwartych. Na szczęście umiemy już wytwarzać struktury istotnie różniące się kształtem porów - od przypominających nanokoralowiec po takie, które przypominają nano-róże pustyni albo pliki kartek. Zamierzamy więc z nich budować struktury warstwowe odpowiadające tym, które występują w naturze. Mamy również zaplanowane techniki strukturyzacji nanostemplowaniem, które umożliwi nam wykonanie struktur typu 'pędzelki' występujących w bardzo czarnych pająkach.

Czy materiały inspirowane owadami mogą znaleźć zastosowanie również poza budownictwem — na przykład w elektronice użytkowej, odzieży ochronnej lub sektorze transportu?

Tak, budownictwo jest naszym celem dalekosiężnym, ale na razie ze względu na mniejsze niezbędne wymiary powłok planujemy testować zastosowania w elementach odbierających ciepło takich, jak właśnie generatory termoelektryczne, kolektory słoneczne, czy w zastosowaniach kosmicznych do pochłaniania bądź odbijania ciepła (w przypadku powłok białych). Białe powłoki mogą być również korzystne dla ogniw słonecznych dwustronnych, które charakteryzują się zwiększoną wydajnością, dzięki zbieraniu światła słonecznego z obu stron panelu. Umieszczone pod nimi powłoki białe skutecznie odbijałyby światło słoneczne do spodniej części panelum powodując wzrost wydajności. Jeśli chodzi o zastosowania w odzieży, czy w ogóle w ekspozycji na warunki zewnętrzne, kluczowe będzie opracowanie powłok ochronnych dla naszych nanostruktur. Tak, jak skrzydła motyli są bardzo delikatne, tak i nasze nanostruktury są słabo odporne na uszkodzenia mechaniczne. Pracujemy nad odpowiednim pokryciem powłok materiałami ceramicznymi tak, aby zachować właściwości optyczne oraz wprowadzić zabezpieczenie mechaniczne.

Czy opracowywane bioinspirowane powłoki będą kompatybilne z istniejącymi technologiami mikroelektronicznymi, takimi jak sensory, moduły PV czy układy chłodzenia pasywnego w urządzeniach elektronicznych?

Tak, techniki wytwarzania są kompatybilne z procesami technologicznymi mikroelektroniki. Materiały te już wykazują dobre wyniki dla sensorów substancji lotnych mogących być użytymi w diagnostyce medycznej. Będziemy ten kierunek intensywnie rozwijać. Chłodzenie pasywne również może skorzystać na realizacji naszego projektu - wytworzenie nanoporowatych powłok z metalu na powierzchni urządzeń pozwoli na wytworzenie jakby mikro-radiatorów i powinno pozwolić na wydajne chłodzenie mikroprzyrządów. Jest to również obszar badań, który planujemy zrealizować.

Na ile możliwe będzie skalowanie technologii magnetronowego rozpylania katodowego dla przemysłowego wdrożenia opracowanych materiałów w elektronice lub fotonice?

Magnetronowe rozpylanie katodowe jest bardzo dobrze skalowalne - to jest jedna z zalet tej techniki. Przykładowo - szkło architektoniczne wykorzystywane w budowie biurowców jest pokrywane warstwami przeciwodblaskowymi właśnie z zastosowaniem tej techniki, w urządzeniach przeznaczonych do wytwarzania powłok wielkopowierzchniowych. Naszym założeniem jest to, że w ramach przyznanego nam właśnie projektu staramy się zrozumieć - w oparciu o przyrodę - jak otrzymać jak najbardziej czarne nanostruktury tą techniką, a potem - już pod koniec i po zakończeniu projektu - zastosować je w przyrządach i powłokach także na większą skalę. Mam nadzieję, że za te kilka lat będziemy mogli się pochwalić wynikami pozwalającymi na komercjalizację.

Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki, z ponad 50-letnią historią, prowadzi zaawansowane badania w dziedzinie mikroelektroniki, fotoniki i nowoczesnych materiałów. Instytut specjalizuje się w opracowywaniu cienkowarstwowych struktur, półprzewodników szerokopasmowych (takich jak GaN i SiC), grafenu oraz materiałów funkcjonalnych. Naukowcy z Łukasiewicz – IMiF badają ich właściwości oraz możliwości wykorzystania w energetyce, elektronice, fotonice, medycynie, technikach sensorowych, a także w przemyśle lotniczym, kosmicznym i motoryzacyjnym. Instytut rozwija również technologie światłowodowe, mikrooptyczne oraz nowoczesne źródła i detektory promieniowania, w tym emitery podczerwieni dla telekomunikacji i detekcji gazów.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!