Несмотря на кажущуюся абсолютную белизну листа бумаги для печати, действительность несколько иная. Недавно группа ученых из Кембриджского университета разработала материал, который в двадцать раз превосходит по степени белизны даже практически самую высококачественную бумагу. В качестве живого образца для демонстрации был применен жук *Cyphochilus*, обитающий в регионе Юго-Восточной Азии. Как правило, яркие оттенки достигаются за счет специальных пигментов, которые поглощают свет в широком спектре, отражая при этом свет с заданной длиной волны. Однако для воссоздания белого цвета необходимо, чтобы поверхность материала равномерно отражала свет во всем диапазоне длин волн. С оптической точки зрения обеспечение одинакового коэффициента отражения в пределах всего видимого спектра представляет собой весьма сложную задачу, о чем свидетельствует ограниченное число природных материалов, обладающих подобными характеристиками, среди которых наиболее известными являются оксид цинка и диоксид титана.

Весьма необычное решение использовала природа, окрашивая в белый цвет жука Cyphochilus. Он получает свой белый окрас не из-за какого-либо пигмента, а от светоотражающей сети, состоящей из упорядоченных молекул его хитиновой оболочки.

Ученые из Кембриджского университета, работая с коллегами из университета Аальто, Финляндия, смогли скопировать структуру светоотражающей сети. Созданная искусственная сеть состоит из гибких мембран, состоящих из тщательно упорядоченных нановолокон целлюлозы. Мало того, что сама целлюлоза абсолютно нетоксична и дешева, она, в отличие от окиси цинка, полностью биологически совместима с организмом человека и других живых существ.

Целлюлозная мембрана отражает практически с одинаковой эффективностью свет с любой длиной волны, лежащей в видимом диапазоне, формируя самый яркий насыщенный белый цвет. Такие мембраны могут быть сделаны очень тонкими, исследователям удалось создать образцы, толщиной всего в одну миллионную долю метра.

В настоящее время ученые из Кембриджа работают над созданием технологии промышленного изготовления целлюлозных светоотражающих мембран. И после того, как такая технология будет разработана, целлюлозные мембраны могут найти применение в таких вещах, как краски, косметика и даже пищевые продукты.

Для любознательных

На этой фотографии к пластинчатоусому жуку рода Cyphochilus подносят кусочек наноструктурированной полимерной пленки. На создание пленки ученых вдохновил хитиновый панцирь этого насекомого (см. картинку дня Хитин), который чрезвычайно эффективно рассеивает свет всех длин волн и обеспечивает жуку самую светлую окраску из всех возможных.

Насекомые — настоящий кладезь вдохновения для людей, создающих новые материалы. У одних экзоскелет отливает благородными металлами (см. картинки дня Золотой жук и Золотые куколки), у других крылья переливаются всеми цветами радуги (см. картинку дня Чешуйки крыла бабочки урании) или, напротив, отражают свет подобно зеркалу (см. картинку дня Гусеница-ниндзя). А вот у жуков рода Cyphochilus верхний слой панциря толщиной всего в двухсотую долю миллиметра так хорошо отражает свет, что листу офисной бумаги потребуется быть вдвое толще, чтобы добиться такой же белизны.

Жук Cyphochilus. Обратите внимание, что из-под белого верхнего слоя панциря кое-где виден нижний слой черного цвета. Фото © Simba с сайта inaturalist.nz, провинция Юньнань, 3 июня 2024 года

Секрет белизны жуков Cyphochilus кроется в ультратонких чешуйках, покрывающих верхнюю часть тела. Обычно для создания белого цвета требуется относительно толстый слой материала, рассеивающего видимый свет. Однако жуки добились того же эффекта благодаря особой структуре чешуек, в которых хаотически сплетены тончайшие нити хитина. Каждая нить обладает сравнительно низким показателем преломления, однако за счет многократного рассеивания такая поверхность отражает видимый свет почти полностью, придавая панцирю жука чисто белый цвет.

Жуки рода Cyphochilus населяют леса Юго-Восточной Азии. Предположительно, такая странная для лесного жителя окраска позволяет жуку маскироваться среди белых грибов, встречающихся в местах его обитания (хотя питается он не ими, а сахарным тростником).

Сплетенные нити хитина в панцирях жуков Cyphochilus (a, b) и Lepidiota stigma (c, d), близкий родственник жуков Cyphochilus, который тоже отличается исключительной белизной панциря, любовью к сахарному тростнику и тоже живет в лесах Юго-Восточной Азии. Рисунок из статьи M. Burresi et al., 2014. Bright-White Beetle Scales Optimise Multiple Scattering of Light

Ну а ученым структура панциря жука подсказала новый способ получения белых покрытий для техники, мебели и других предметов. Эти покрытия способны заменить стандартный пигмент, применяемый для получения белых красок, — диоксид титана. Хотя он отлично отражает свет, у него есть недостатки: он не разрушается в природе естественным путем (и в перспективе может загрязнять окружающую среду), а также существуют подозрения, что он может наносить вред здоровью человека.

Основываясь на строении панциря жука, немецкие исследователи смогли создать напоминающую губку наноструктурированную пленку, чрезвычайно тонкую, гибкую и легкую. Даже пленка толщиной всего девять микрометров рассеивает больше половины видимого света, а с помощью более толстой пленки можно добиться рассеивания 80–90%. В другом исследовании удалось добиться исключительной белизны с помощью нанофибрилл целлюлозы, имитирующих нити хитина в панцире жука: в зависимости от толщины нанофибрилл материал получался либо полупрозрачным, либо чисто белым.

Наконец, в 2023 году были опубликованы результаты работы по изготовлению ультрабелой керамической плитки, структура которой тоже была вдохновлена жуками Cyphochilus. И ученым удалось добиться рекордных показателей отражения: видимого света до 99,6% и инфракрасного излучения до 96,5%! Покрыв такой плиткой крышу дома, можно заметно снизить температуру внутри, сократив расходы электроэнергии на работу кондиционеров и уменьшив городские острова тепла, в которых так тяжело находиться жарким летним днем.