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Al mirar dentro de una crisálida, videos asombrosos capturan la formación de alas de mariposa durante la metamorfosis

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Las escalas más grandes y superpuestas en rojo y verde comienzan a formar sus detalles estructurales a la mitad del desarrollo (derecha). Cada imagen tiene 75 µm de ancho. Crédito: Anthony McDougal y Sungsam Kang

Los resultados podrían informar el diseño de nuevos materiales como ventanas iridiscentes o textiles impermeables.

Si rozas las alas de una mariposa, es probable que salgas con una pizca fina de polvo. Este polvo de lepidópteros está formado por diminutas escamas microscópicas, cientos de miles de las cuales cubren las alas de una mariposa como tejas en un techo ultradelgado. La estructura y disposición de estas escamas le dan a la mariposa su color y brillo, y ayudan a proteger al insecto de los elementos.

Ahora, CON Los ingenieros han capturado la intrincada coreografía de escamas de mariposa que se forman durante la metamorfosis. Por primera vez, el equipo observó continuamente las escamas de las alas crecer y ensamblarse a medida que una mariposa en desarrollo se transforma dentro de su crisálida.

Con una cirugía menor y un enfoque de imagen inteligente, los investigadores pudieron observar la formación de escamas de alas en muestras de Vanessa cardui, comúnmente conocida como la bella dama mariposa. Observaron que cuando se forma un ala, las células de su superficie se alinean en filas ordenadas a medida que crecen. Estas células se diferencian rápidamente en una alternancia de escamas de «cobertura» y «suelo», produciendo un patrón superpuesto similar a una teja. Cuando alcanzan su tamaño completo, las escamas forman finas crestas a lo largo de su longitud: características diminutas y onduladas que controlan el color del insecto y lo ayudan a absorber la lluvia y la humedad.

Desarrollo de escamas en el ala de la mariposa.

Las imágenes SEM se utilizan típicamente para visualizar escamas en desarrollo en un ala de mariposa (se muestran dos escalas individuales, arriba a la izquierda); un nuevo enfoque utiliza imágenes de fase cuantitativa para mostrar escalas individuales con más detalle (arriba a la derecha y abajo). El ancho de las escamas es de aproximadamente 50 µm. Crédito: Anthony McDougal y Sungsam Kang

El estudio del equipo, publicado hoy (22 de noviembre de 2021) en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, ofrece la mirada más detallada hasta la fecha sobre la arquitectura emergente de escamas de mariposa. Las nuevas visualizaciones también podrían servir como plantilla para el diseño de nuevos materiales funcionales, como ventanas iridiscentes y textiles impermeables.

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«Las alas de mariposa controlan muchos de sus atributos al dar forma con precisión a la arquitectura estructural de sus escamas», dice el autor principal Anthony McDougal, asistente de investigación en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. “Esta estrategia podría utilizarse, por ejemplo, para dar color y propiedades de autolimpieza a automóviles y edificios. Ahora podemos aprender del control de mariposa estructural de estos complejos materiales micro-nanoestructurados. «

Los coautores de McDougal en el MIT incluyen al becario postdoctoral Sungsam Kang, el científico investigador Zahid Yaqoob, el profesor de ingeniería mecánica y biológica Peter So, y el profesor asociado de ingeniería mecánica Mathias Kolle.

Un campo de luciérnagas

La sección transversal de un ala de mariposa revela un intrincado andamio de escamas y nervaduras que varían en estructura y disposición de una especie a otra. Estas características microscópicas actúan como pequeños reflectores que hacen rebotar la luz para darle a la mariposa su color y brillo. Las crestas en las escamas de un ala sirven como canalones y calentadores en miniatura, canalizando la humedad y el calor para mantener al insecto fresco y seco.

Los investigadores han intentado replicar las propiedades ópticas y estructurales de las alas de las mariposas para diseñar nuevas células solares y sensores ópticos, superficies resistentes a la lluvia y al calor, e incluso billetes iridiscentes con patrones de cifrado para desalentar la falsificación. Saber qué procesos explotan las mariposas para hacer crecer sus escamas podría ayudar a guiar aún más este tipo de desarrollo tecnológico bioinspirado.

Actualmente, lo que se sabe sobre la formación de escamas se basa en imágenes fijas de alas de mariposa maduras y en desarrollo.

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“Los estudios anteriores brindan instantáneas convincentes en ciertas etapas de desarrollo; Desafortunadamente, no revelan la cronología continua y la secuencia de lo que sucede a medida que crecen las estructuras de escala ”, dice Kolle. «Necesitábamos ver más para empezar a entenderlo mejor».

En su nuevo estudio, él y sus colegas se propusieron observar continuamente cómo las escamas crecen y se ensamblan en una mariposa viva en el proceso de transformación. Eligieron estudiar especímenes de Vanessa Cardui, porque las alas de la mariposa tienen características comunes a la mayoría de las especies de lepidópteros.

El equipo crió orugas Painted Lady en contenedores individuales. Una vez que cada oruga se encerró en una crisálida, lo que indica el comienzo de su metamorfosis, los investigadores cortaron con cuidado el material delgado como el papel y despegaron un pequeño cuadrado de cutícula, o cubierta del ala en desarrollo, exponiendo las escamas que crecen debajo. Luego usaron un bioadhesivo para pegar un cubreobjetos transparente sobre la abertura, creando una ventana a través de la cual podían ver a la mariposa y sus escamas continuar formándose.

Para visualizar esta transformación, Kolle y McDougal se asociaron con Kang, Yaqoob y So, expertos en un tipo de imagen llamada microscopía de fase de reflexión de correlación de puntos. En lugar de proyectar un amplio haz de luz sobre el ala, que podría ser fototóxico para las células delicadas, el equipo aplicó un «campo moteado»: muchos pequeños puntos de luz, cada uno de los cuales brilla en un punto específico del ala. El reflejo de cada pequeña luz se puede medir en paralelo con todos los demás puntos del campo para crear rápidamente un mapa tridimensional detallado de las estructuras de las alas.

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“Un campo moteado es como miles de luciérnagas que generan un campo de puntos de luz”, dice So. “Con este método, podemos aislar la luz de diferentes capas y reconstruir la información para mapear eficazmente una estructura en 3D. «

Exploración profunda a través de las escamas de las alas

Un barrido profundo a través de las escamas de las alas de una ninfa que ha completado el 83% de su metamorfosis. La izquierda muestra la cantidad de luz reflejada de las escalas, mientras que la información de fase de la derecha muestra gradaciones más finas en la distancia que la luz viaja a las escalas. Crédito: MIT

Haz conexiones

En sus visualizaciones del ala de mariposa en crecimiento, el equipo observó la formación de características muy detalladas, que van desde escalas micrométricas hasta crestas de escala nanométrica aún más finas a escalas individuales.

Observaron que a los pocos días las células se alineaban rápidamente en filas y poco después se diferenciaban en un patrón alterno de escamas de cobertura (las que cubrían el ala) y escamas del suelo (las que estaban ocultas debajo). Cuando alcanzaron su tamaño final, cada escama desarrolló crestas largas y delgadas que se asemejaban a pequeños techos corrugados.

“Muchos de estos pasos se han entendido y visto antes, pero ahora podemos unirlos todos y observar continuamente lo que está sucediendo, lo que nos da más información sobre cómo se forman las escamas”, dice McDougal.

Curiosamente, el equipo descubrió que las crestas de las escamas se formaron inesperadamente. Los científicos habían especulado que estos surcos eran una consecuencia de la compresión: a medida que las escamas crecían, se pensaba que se encogían como un acordeón. Pero las visualizaciones del equipo mostraron que en lugar de encogerse como lo haría cualquier material cuando se comprime, las escamas continuaron creciendo a medida que aparecían crestas en su superficie. Estas mediciones sugieren que debe estar funcionando otro mecanismo de formación de crestas. El grupo espera explorar esto, así como otros procesos en el desarrollo del ala de la mariposa, que pueden ayudar a informar el diseño de nuevos materiales funcionales.

“Este artículo se centra en lo que hay en la superficie del ala de la mariposa”, señala McDougal. “Pero debajo de la superficie, también podemos ver células enraizándose como zanahorias y enviando conexiones a otras raíces. Hay comunicación debajo de la superficie a medida que las células se organizan. Y en la superficie, se forman escamas, así como características en las escamas mismas. Podemos visualizar todo, lo cual es realmente hermoso de ver.

Referencia: 22 de noviembre de 2021, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073 / pnas.2112009118

Esta investigación fue financiada, en parte, por la National Science Foundation.

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No te pierdas el cometa Leonard y los meteoritos Gemínidas

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¿Qué hay de nuevo en diciembre? Los momentos más destacados de la tarde, la oportunidad de atrapar un cometa y los meteoros Gemínidas anuales.

Del 6 al 10 de diciembre, mire hacia el oeste después de la puesta del sol para el Moon Tour Venus, Saturno, y Júpiter a su vez. La luna creciente se llena a medida que aparece más alto en el cielo cada noche durante la semana.

La Luna alterna entre Venus, Saturno y Júpiter cada noche después de la puesta del sol, del 6 al 10 de diciembre. Crédito: NASA / JPL-Caltech

No obstante, disfrute de la deslumbrante vista de Venus como la «estrella de la tarde» mientras dure. Nuestro planeta vecino cubierto de nubes se hundirá cada vez más cerca del horizonte durante el transcurso del mes, desapareciendo para la mayoría de nosotros para el Año Nuevo. Reaparecerá a finales de enero como un planeta matutino antes del amanecer y no volverá a aparecer en el cielo de la tarde hasta diciembre del próximo año.

El próximo mes de diciembre, un cometa recién descubierto se dirige hacia el interior del sistema solar y vale la pena intentarlo. Es conocido como el cometa Leonard y estará más cerca de la Tierra el 12 de diciembre, solo unas semanas antes de que alcance su distancia más cercana al Sol.

Mapa estelar del cometa Leonard 2021

Mapa del cielo que muestra la posición del cometa Leonard en el este aproximadamente 2 horas antes del amanecer, del 1 al 10 de diciembre. Es posible que se necesiten binoculares para observar el cometa. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Ahora, los cometas son muy difíciles de predecir en términos de brillo y visibilidad. Se espera que el cometa Leonard alcance un brillo máximo que probablemente requiera binoculares para detectarlo. Existe la posibilidad de que sea lo suficientemente brillante como para verlo a simple vista, pero de nuevo, con los cometas, nunca se sabe realmente.

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Durante las dos primeras semanas de diciembre, el cometa Leonard se encuentra en el este antes del amanecer, pasando entre Arcturus y Big Dipper Cove. Se acerca al horizonte justo cuando se acerca a la Tierra, lo que significa que probablemente será más brillante pero más difícil de observar. Luego se convierte en un objeto vespertino alrededor del 14 de diciembre, solo un poco después de la puesta del sol, ya que comienza su largo viaje hacia afuera desde el Sol nuevamente, disminuyendo gradualmente su brillo.

Finalmente, el Meteoritos gemínidas son un punto culminante del cielo de diciembre todos los años. La lluvia de meteoritos de este año alcanza su punto máximo en la noche del 13 y 14 de diciembre. Además del clima, la fase de la Luna suele ser el factor principal para determinar si una lluvia de meteoritos tendrá buena visibilidad en un año determinado. Este año, la Luna estará casi llena en un 80% en la parte superior de las Gemínidas, lo que no es ideal. Sin embargo, esta luna brillante se pondrá en algún lugar alrededor de las 2 a.m. sin importar dónde se encuentre, dejando unas horas para observar los meteoros antes del amanecer.

Geminid Meteora 2021 Sky Map

Mapa del cielo que muestra la región del cielo desde la que parecen irradiar los meteoros Gemínidas. El aguacero de este año se ve mejor después de la puesta de la luna en la mañana del 14 de diciembre. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Los meteoritos parecen irradiar desde la constelación de Géminis, que encontrarás en lo alto del oeste. Ahora, mientras que la mayoría de las lluvias de meteoros anuales son causadas por el paso de la Tierra a través de senderos de partículas de escombros cometarios del tamaño de polvo, las Gemínidas son una de las pocas lluvias de meteoritos causadas por escombros de un asteroide que viaja a través de la órbita de la Tierra, en este caso, uno llamado Phaeton. .

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Recientemente, Nasa Los científicos han compartido hallazgos que sugieren que la diferencia entre un asteroide y un cometa puede ser menos clara de lo que pensábamos, ya que el sodio chispeante en Phaethon juega el mismo papel que la vaporización del hielo en los cometas.

Y ya sea que vislumbre el cometa Leonard o los meteoros del asteroide Phaethon, ambos son recordatorios de las profundas conexiones entre la Tierra y el resto del sistema solar que descubrimos porque miramos hacia afuera y exploramos.

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Horoscopo

La NASA lanzará una demostración de láser que podría revolucionar la comunicación espacial

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La próxima demostración de relés de comunicaciones láser de la NASA podría revolucionar la forma en que la agencia se comunica con futuras misiones en todo el sistema solar.

Estos láseres podrían generar más videos y fotos de alta definición desde el espacio que nunca, según la agencia.

Se espera que la misión sea lanzada como una carga útil a bordo del Programa de Prueba Espacial Satélite 6 del Departamento de Defensa de EE. UU. El 5 de diciembre desde Cabo Cañaveral, Florida. La ventana de lanzamiento permanecerá abierta de 4:04 a.m. a 6:04 a.m. ET, y la agencia compartirá cobertura en vivo del lanzamiento en NASA TV y su sitio de Internet.

Desde 1958, la NASA ha utilizado ondas de radio para comunicarse con sus astronautas y misiones espaciales. Si bien se ha demostrado que las ondas de radio tienen éxito, las misiones espaciales se están volviendo más complejas y recopilan más datos que nunca.

Piense en los láseres infrarrojos como la versión de comunicaciones ópticas de Internet de alta velocidad, en contraposición a la frustrantemente lenta Internet de acceso telefónico. Las comunicaciones láser enviarán datos a la Tierra desde una órbita sincrónica con la rotación de la Tierra, 22,000 millas (35,406 kilómetros) sobre la superficie de la Tierra a 1.2 gigabits por segundo, esto es como descargar una película completa en menos de un minuto.

Mejorará las tasas de transmisión de datos de 10 a 100 veces mejor que las ondas de radio. Los láseres infrarrojos, que son invisibles a nuestros ojos, tienen longitudes de onda más cortas que las ondas de radio, por lo que pueden transmitir más datos a la vez.

Con el sistema de ondas de radio actual, se necesitarían nueve semanas para devolver un mapa completo de Marte, pero los láseres podrían hacerlo en nueve días.

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La demostración del relé de comunicación láser es el primer sistema de relé láser de extremo a extremo de la NASA que enviará y recibirá datos desde el espacio a dos estaciones terrestres ópticas en Table Mountain, California, y Haleakalā, Hawaii. Estas estaciones tienen telescopios capaces de recibir luz láser y traducirla en datos digitales. A diferencia de las antenas de radio, los receptores de comunicaciones láser pueden ser hasta 44 veces más pequeños. Debido a que el satélite puede enviar y recibir datos, es un verdadero sistema bidireccional.

La única perturbación de estos receptores láser en el suelo Son las perturbaciones atmosféricas, como las nubes y las turbulencias, las que pueden interferir con las señales láser que atraviesan nuestra atmósfera. Las ubicaciones remotas de los dos receptores se eligieron teniendo esto en cuenta, ya que ambos generalmente tienen condiciones climáticas despejadas a grandes altitudes.

Una vez que la misión llegue a la órbita, el equipo del centro de operaciones en Las Cruces, Nuevo México, activará la demostración del relé de comunicación láser y la preparará para enviar pruebas a las estaciones terrestres.

El telescopio más poderoso jamás construido está a punto de cambiar nuestra visión del universo

Se espera que la misión pase dos años realizando pruebas y experimentos antes de comenzar a respaldar misiones espaciales, incluida una terminal óptica que se instalará en la Estación Espacial Internacional en el futuro. Podrá enviar datos de experimentos científicos en la estación espacial al satélite, que los retransmitirá a la Tierra.

La demostración actúa como un satélite de retransmisión, eliminando la necesidad de futuras misiones de tener antenas con una línea de visión directa a la Tierra. El satélite podría ayudar a reducir los requisitos de tamaño, peso y energía de las comunicaciones en naves espaciales futuras, aunque esta misión es aproximadamente del tamaño de un colchón gigante.

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Esto significa que las misiones futuras podrían ser más baratas de lanzar y tener espacio para más instrumentos científicos.

Otras misiones actualmente en desarrollo que podrían probar las capacidades de comunicación láser incluyen el sistema de comunicaciones ópticas Orion Artemis II, que permitirá la transmisión de video de ultra alta definición entre la NASA y los astronautas de Artemis que se aventuran a la luna.

Y la misión Psyche, que se lanzará en 2022, llegará a su destino de asteroide en 2026. La misión estudiará un asteroide metálico a más de 150 millones de millas (241 millones de kilómetros) de distancia. y pruebe su láser de comunicación óptica de espacio profundo para enviar datos a la Tierra.

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Los físicos explotan las simetrías espaciales y temporales para controlar los materiales cuánticos

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Transporte cuántico en una cadena de resonadores que obedecen a simetrías de reflexión espacial e inversión temporal. Crédito: Vasil Saroka

Los físicos de Exeter y Trondheim han desarrollado una teoría que describe cómo se pueden explotar la reflexión espacial y las simetrías de inversión del tiempo, lo que permite un mejor control del transporte y las correlaciones dentro de los materiales cuánticos.


Dos físicos teóricos, de la Universidad de Exeter (Reino Unido) y la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (en Trondheim, Noruega), han construido una teoría cuántica que describe una cadena de resonadores cuánticos que satisfacen las simetrías de la reflexión espacial y la inversión del tiempo. Mostraron cómo las diferentes fases cuánticas de tales cadenas están asociadas con fenómenos notables, que pueden ser útiles en el diseño de futuros dispositivos cuánticos basados ​​en fuertes correlaciones.

Una distinción común en física es entre sistemas abiertos y cerrados. Los sistemas cerrados están aislados de cualquier entorno externo, por lo que se conserva la energía porque no hay ningún lugar al que escapar. Los sistemas abiertos están conectados con el mundo exterior y, a través de intercambios con el medio ambiente, están sujetos a ganancias y pérdidas de energía. Hay un tercer caso importante. Cuando la energía que entra y sale del sistema está finamente equilibrada, se produce una situación intermedia entre la apertura y el cierre. Este equilibrio puede ocurrir cuando el sistema obedece a una simetría combinada de espacio y tiempo, es decir, cuando (1) cambiar de izquierda a derecha y (2) invertir la flecha del tiempo dejan el sistema esencialmente sin cambios.

En su última investigación, Downing y Saroka discuten las fases de una cadena cuántica de resonadores que satisfacen la reflexión espacial y las simetrías de inversión del tiempo. Hay principalmente dos fases de interés, una fase trivial (acompañada de física intuitiva) y una fase no trivial (marcada por una física sorprendente). La frontera entre estas dos fases está marcada por un punto excepcional. Los investigadores encontraron las ubicaciones de estos puntos excepcionales para una cadena con un número arbitrario de resonadores, proporcionando información sobre la escala de los sistemas cuánticos que obedecen a estas simetrías. Es importante destacar que la fase no trivial permite efectos de transporte no convencionales y fuertes correlaciones cuánticas, que se pueden utilizar para controlar el comportamiento y la propagación de la luz a escalas de longitud nanoscópicas.

Este estudio teórico puede ser útil para la generación, manipulación y control de la luz en materiales cuánticos de baja dimensión, con miras a construir dispositivos basados ​​en la luz que exploten fotones, partículas de luz, como caballos de batalla hasta tamaños de aproximadamente una milmillonésima parte de un metro. .

Charles Downing, de la Universidad de Exeter, comentó: «Nuestro trabajo sobre la simetría de paridad-tiempo en sistemas cuánticos abiertos subraya aún más cómo la simetría sustenta nuestra comprensión del mundo físico y cómo podemos beneficiarnos de ella».

Vasil Saroka, de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, agregó: «Esperamos que nuestro trabajo teórico sobre la simetría de paridad temporal pueda inspirar más investigaciones experimentales en esta apasionante área de la física».

«Puntos excepcionales en cadenas de oligómeros» se publica en Física de las comunicaciones.


Los físicos revelan un flujo no recíproco alrededor del mundo cuántico


Más información:
Charles Andrew Downing et al, Puntos excepcionales en cadenas de oligómeros, Física de las comunicaciones (2021). DOI: 10.1038 / s42005-021-00757-3

Proporcionado por la Universidad de Exeter

Cita: Physicists Exploit Space and Time Symmetry to Control Quantum Materials (2021, 3 de diciembre) recuperado el 3 de diciembre de 2021 de https://phys.org/news/2021-12-physicists-exploit-space-symmetries-quantum. Html

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