Navorsing uit die natuur – No 18: Slangster / Brittle-Star

Slangster_SKELETON OF THE BRITTLE STAR

 

Slangster

DIE slangster, wat ’n rifbewoner is, het ’n verbasende soort pantser aan sy bokant. Hierdie deel van sy skelet is vol mikroskopiese lense wat die dier se pantser in ’n saamgestelde oog verander.

Toe wetenskaplikes die skeletplaatjies van die slangster ondersoek, het hulle “’n ongewone patroon van kristalhelder knoppies [gesien] wat dig op mekaar is en wat elkeen dunner as ’n mensehaar is”, sê die tydskrif Natural History. Hierdie kristalknoppies van kalsiumkarbonaat (kalsiet) is mikrolense van ’n hoë gehalte wat lig fokus op wat blykbaar liggevoelige senuwees net onder die plaatjies is. Wat meer is, die lense het presies die regte vorm om die slangster te laat “sien”.

Die skeikundige Joanna Aizenberg sê dat die slangster se tweedoelige pantser “’n belangrike beginsel toelig: in biologie word materiale dikwels ten volle benut om verskeie take te verrig”.

Navorsers het inligting omtrent die biologie van die slangster gebruik om ’n eenvoudige, goedkoop metode te vind om rangskikkings van mikrolense uit kalsiumkarbonaat te maak. Hierdie rangskikkings word onder andere gebruik vir telekommunikasie, waar dit ligseine deur optiese vesels gelei.


Slangster_SKELETON

BRITTLE STAR

THE reef-dwelling brittle star has an amazing form of armor on its upper surface. This part of its skeleton is studded with microscopic lenses that turn the animal’s armor into a compound eye.

When scientists examined the skeletal plates of the brittle star, they saw “an unusual pattern of densely packed, crystal-clear bumps, each thinner than a human hair,” says the magazine Natural History. These crystalline bumps, made of calcium carbonate (calcite), proved to be high-quality microlenses that focus light onto what seem to be photosensitive nerves just below the plates. Moreover, the lenses have the exact shape needed to produce the desired image.

According to chemist Joanna Aizenberg, the brittle star’s dual-purpose shell “demonstrates an important principle: in biology, materials are often optimized for multiple functions.”

Taking a lesson from the biology of the brittle star, researchers have devised a simple, low-cost method of producing arrays of micro-lenses made of calcium carbonate. The many applications of these arrays include telecommunications, where they are used to conduct light signals through optical fibers.

Advertisements

2017 RAE

Die 2017 RAE is suksesvol afgele op Saterdag 20 Mei te John Voster Tegniese Hoerskool in Pretoria onder MRK se toesig  – dit na 3 maande van klas elke Saterdag oggend – ons hoop om die suksevolle kandidate by die klub te sien in die toekoms.

Navorsing uit die natuur – No 17: Skubvoetslak / SCALY-FOOT SNAIL

SKUBVOETSLAK

Skubvoetslak

Dit het een van die sterkste eksoskelette wat nog ooit in die natuur ontdek is. Die skubvoetslak, wat op die bodem van die Indiese Oseaan voorkom, kan die waterdruk op ’n diepte van sowat 2 400 meter weerstaan. Wat meer is, dié weekdiertjie word nie geraak deur die hoë suurgehalte of die wisselende temperatuur van die water nie—insluitende warm water wat by hidrotermiese openinge uitspuit nie. Die skulp beskerm dit ook teen aanvalle deur roofdiere.

   Die skulp van die skubvoetslak het drie lae. Die eerste bestaan uit ystersulfiede; die tweede is soortgelyk aan die proteïenlaag wat by ander slakspesies gevind word; en die derde bestaan uit ’n kalsiummineraal wat aragoniet genoem word. Met hierdie driedubbele beskermingslaag, is die skulp van die skubvoetslak ondeurdringbaar vir krappe, wat dit met hulle sterk knypers probeer verbrysel. Die krap hou die slak soms dae lank in sy greep, maar die skulp bly heel.

Met behulp van ’n toestel met ’n diamantpunt wat ’n induiker genoem word, het navorsers uitgevind dat “die buitenste skulp ontwerp is om so te kraak dat dit energie absorbeer”, berig die tydskrif Discover. “Krake vorm net om die ystersulfieddeeltjies. Hierdie ‘mikrokrakies’ absorbeer nie net energie nie, maar verhoed ook dat groter krake vorm.” Intussen absorbeer die middelste laag die meganiese energie wat gedurende ’n aanval uitgeoefen word.

Navorsers hoop om die struktuur van die skubvoetslak se skulp na te maak sodat hulle sterker helms en koeëlvaste baadjies, asook sterker rompe vir skepe en vliegtuie kan maak. “Selfs Arktiese oliepyplyne wat herhaaldelik deur ysberge gestamp word, kan hierby baat vind”, sê Discover.


SCALY-FOOT SNAIL

It has one of the strongest exoskeletons ever discovered in nature. The scaly-foot snail, found at the floor of the Indian Ocean, can withstand the water pressure occurring at a depth of some 8,000 feet (2,400 m). Furthermore, this little mollusk is unaffected by both the high acidity of the water and its fluctuating temperature—including the hot water that gushes forth from hydrothermal vents. The shell also shields it from attack by predators.

The shell of the scaly-foot snail has three layers. The first is composed of iron sulfides; the second resembles the protein coating found on other snail species; and the third is made up of a calcium mineral called aragonite. With its triple layer of defense, the scaly-foot snail is impervious to attack by predator crabs, which try to crush the shell with their powerful claws. The crab may grip the snail for days at a time, but the shell holds fast.

Using a diamond-tipped device called an indenter, researchers learned that “the outer shell is designed to crack in a way that absorbs energy,” reports Discover magazine. “Cracks spread only by fanning out around the iron sulphide particles. This ‘microcracking’ not only absorbs energy, it also ensures that larger cracks do not form.” Meanwhile, the middle layer absorbs the mechanical energy exerted during an attack.

Researchers hope to copy the structure of the scaly-foot snail’s shell in order to produce stronger helmets and bulletproof vests, as well as ship and aircraft hulls. “Even Arctic oil pipelines that are buffeted by icebergs could benefit,” says Discover.

Navorsing uit die natuur – No 16: Skoenlappers vlerke / BUTTERFLY WINGs

Skoenlapper

Skoenlappers vlerke

Die treffende metaalagtige kleure op party skoenlappers se vlerke verander afhangende van die hoek waaruit ’n mens daarna kyk. Die kleur van een spesie se vlerke is so suiwer en intens dat dit oor ’n afstand van sowat 800 meter gesien kan word. Waarom is skoenlappers se vlerke so merkwaardig?

Rye klein holtetjies op die vlerke van ’n groen-swaelstertskoenlapper (Papilio blumei) weerkaats ligstrale op verskeie maniere. Byvoorbeeld, die middel van elke holtetjie weerkaats geelgroen lig, terwyl die rande blou lig weerkaats. Wat meer is, die lig wat die middel van ’n holtetjie tref, word reguit teruggekaats, maar die lig wat die kante van ’n holtetjie tref, beweeg eers deur ’n oppervlak wat uit etlike lae bestaan en wat die liggolwe versterk en gedeeltelik polariseer, of draai. Die eindresultaat word strukturele kleur genoem weens die komplekse manier waarop dit voortgebring word.

Dit het navorsers tien jaar geneem om ’n eenvoudige replika van die skoenlapper se vlerkoppervlak te maak. Hulle hoop dat hierdie tegnologie sal help om banknote en kredietkaarte te ontwerp wat moeiliker is om te vervals, sowel as sonselle wat sonenergie op doeltreffender wyse kan opneem. Maar dit is moeilik om die oppervlak van ’n skoenlapper se vlerk na te maak. “Ten spyte van ons uitvoerige wetenskaplike kennis van die optika”, skryf professor Ullrich Steiner van die Universiteit van Cambridge se Sentrum vir Nanowetenskap, “kan die optiese effek wat deur middel van tegnologie voortgebring word, dikwels nie vergelyk word met die verstommende kleurpalet wat in die natuur gevind word nie.”


BUTTERFLY’S WING

The striking metallic colors on the wings of some butterflies change depending on the angle from which they are viewed. The wing color of one species is so pure and intense that it can be seen from a half mile (805 m) away. What makes the butterfly’s wing remarkable?

Rows of tiny concave surfaces on the wings of a green swallowtail butterfly (Papilio blumei) reflect light in various ways. For example, the center of each concavity reflects yellow-green light, while the edges reflect blue light. Also, light at the center of a concave surface is reflected directly, but light striking the sides first bounces through a surface of multiple layers, which amplifies and partially polarizes, or rotates, the light waves. The final mix is called structural color because of the complex way in which it is produced.

It took ten years for researchers to produce a simplified replica of the butterfly’s wing surface. Such technology, they hope, will lead to bank notes and credit cards that are harder to forge and solar cells that are more efficient at collecting energy from the sun. However, duplicating the surface of a butterfly’s wing is challenging. “Despite the detailed scientific understanding of optics,” writes Professor Ullrich Steiner of Cambridge University’s Nanoscience Centre, “the astonishingly varied colour palette found in nature often surpasses the optical effects that can be generated by technological means.”

Navorsing uit die natuur – No 15: Papierwesp / PAPER WASP

PAPIERWESPE

Papierwespe is al as meesterlike ingenieurs beskryf. Waarom is hierdie beskrywing gepas?

Soos die papierwesp se naam te kenne gee, gebruik hy ’n spesiale soort papier, wat hy self maak, om sy veelsellige nes te bou en in stand te hou. Die insek versamel vesels van plante en dooie hout op elke denkbare plek—stompe, heiningpale, telefoonpale en boumateriaal. Hy kou dan die materiaal, wat baie sellulose bevat, en meng dit sodoende met sy taai, proteïenryke speeksel. Wanneer hierdie pasta aangewend word en droog word, vorm dit ’n ligte, ferm en sterk papier. Wat meer is, die speeksel het spesiale eienskappe wat die papier in staat stel om hitte te absorbeer en vry te stel, sodat die regte temperatuur op koel dae in die nes gehandhaaf word.

Die wesp bou sy nes “mondjie vir mondjie”. Die voltooide produk is ’n waterdigte groep seshoekige selle onder ’n papiersambreel. Die seshoekige vorm van die selle maak dit sterk en verseker die doeltreffende gebruik van spasie. In natter gebiede voeg wespe eenvoudig meer speeksel by omdat dit waterwerende eienskappe het. Die insekte bou ook hulle neste op plekke waar daar ’n beskermende oorhang is. Die nes, wat na onder wys, hang aan ’n steel onder die oorhang. Wat meer is, papierwespe besoedel nie die omgewing nie—in teenstelling met die mens se papiermaakprosesse, wat die lug, water en grond besoedel!

Dit is dus nie verbasend nie dat argitekte en navorsers die wesp se boumateriaal bestudeer met die doel om beter boumateriaal te vervaardig wat lig, sterk, buigsamer en bioafbreekbaar is.


PAPER WASP

Paper wasps have been described as masters of engineering. Why is this description fitting?

As its name suggests, the paper wasp builds and maintains its compound nest out of a special kind of paper, which it manufactures itself. The insect collects fibers of plants and of dead wood from all kinds of places—logs, fence posts, telephone poles, and building materials. It then chews the cellulose-rich material, adding a sticky, high-protein saliva. When applied, the resulting paste dries to form a light, firm, yet tough, paper. Moreover, the saliva has special properties that enable the paper to generate and absorb heat, thus maintaining the right temperature in the brood comb on cool days.

The wasp builds its nest “mouthful by mouthful.” The finished product is a waterproof, paper-umbrella-covered cluster of hexagonal cells—the hexagon combining strength and efficiency. Wasps that live in wetter areas simply add more oral secretion because of its water-resistant properties. That said, the insects select sites that offer some kind of protective overhang. From this they suspend their downward-facing nests by a stalk, or petiole. Moreover, paper wasps do no harm to the environment—unlike our papermaking processes, which pollute air, water, and land!

Understandably, architects and researchers are studying the wasp’s products with a view to designing superior building materials that are lightweight, strong, more flexible, and biodegradable.

Kleingert Horn, ZS6HRN

Navorsing uit die natuur – No 14: Seekastaiing / Sea Urchin

SEEKASTAIINGS.JPG

Die seekastaiing gebruik sy vyf tande om vir hom ’n skuilplekkie in rots uit te boor. Ondanks die geboor en geskraap bly die seekastaiing se tande skerp. “Ons kan nie dieselfde sê van enige sny- of slypinstrument wat ons ken en gebruik nie”, sê Pupa Gilbert, ’n professor van fisika aan die Universiteit van Wisconsin–Madison in die Verenigde State. Wat is die seekastaiing se geheim?

’n Seekastaiing se tande bestaan uit kristalle wat stewig aan mekaar vassit. Maar “daar is breekpunte op spesifieke plekke in die tande ingebou”, sê Gilbert. Die swakker organiese materiaal op hierdie plekke maak dit—soos ’n ry gaatjies in ’n vel papier—makliker vir die tand se verslete lae om af te breek, sodat ’n nuwe, skerp rand ontbloot word. Aangesien die tand aan die een punt bly groei en aan die ander punt selfslypend is, raak dit nooit stomp nie. Gilbert noem die seekastaiing se tand “een van die min voorwerpe in die natuur wat selfslypend is”.

’n Begrip van hoe die seekastaiing se selfslypende tande werk, hou opwindende moontlikhede vir gereedskapvervaardigers in. Teoreties gesproke kan dit lei tot die ontwikkeling van gereedskap wat selfslypend is. “Die meganisme wat die seekastaiing gebruik, is die sleutel”, sê Gilbert.


SEA URCHIN’S

Using its five teeth, the sea urchin bores through rock to carve out a niche in which to hide. Despite the grinding and scraping, the urchin’s teeth stay sharp. “That’s far more than we can say about any cutting or grinding tool we know and use,” says Pupa Gilbert, professor of physics at the University of Wisconsin–Madison in the United States. What is the sea urchin’s secret?

A sea urchin’s tooth is composed of crystals that are cemented together. However, “there are breaking points at predetermined locations built into the teeth,” notes Gilbert. The weaker organic material at these locations—like perforations on a sheet of paper—make it easy for the tooth’s worn layers to shear off, exposing a new, sharp edge. Since the tooth keeps growing at one end and self-sharpens at the other end, it never gets dull. Gilbert calls the urchin’s tooth “one of the very few structures in nature that self-sharpen.”

Knowing how the sea urchin’s self-sharpening tooth works has exciting implications for toolmakers. In theory, it could lead to the development of tools that self-sharpen with use. “The mechanism used by the urchin is the key,” says Gilbert.

Navorsing uit die natuur – No 13: Rooikopkoggelmander /AGAMA LIZARD

ROOIKOPKOGGELMANDER
DIE rooikopkoggelmander spring met gemak van ’n horisontale oppervlak na ’n vertikale muur. Maar as die oppervlak glad is, gly die koggelmander se pote. Tog slaag hy nog steeds daarin om teen die muur te land. Hoe? Die geheim lê in die koggelmander se stert.

Wanneer koggelmanders vanaf ’n growwe oppervlak spring—waar hulle vastrapplek het—stabiliseer hulle eers hulle liggaam en hou hulle hulle stert afwaarts. Dit help hulle om teen die regte hoek te spring. Wanneer die koggelmanders egter op ’n gladde oppervlak is, is hulle geneig om te gly en teen die verkeerde hoek te spring. Maar terwyl hulle in die lug is, pas hulle die hoek aan waarteen hulle liggaam beweeg deur hulle stert opwaarts te trek. Die proses is ingewikkeld. “Koggelmanders moet die hoek waarteen hulle hulle stert hou, heeltyd presies reg verander om regop te bly”, sê ’n verslag deur die Universiteit van Kalifornië, Berkeley. Hoe gladder die oppervlak, hoe meer moet die koggelmander sy stert lig om veilig te land.

Die koggelmander se stert sal ingenieurs moontlik help om robotvoertuie te ontwerp wat makliker oor ongelyke terrein kan beweeg en dus gebruik kan word om ná ’n aardbewing of ’n ander ramp na oorlewendes te soek. “Robotte is nie naastenby so beweeglik soos diere nie”, sê die navorser Thomas Libby, “daarom is enigiets wat ’n robot stabieler kan maak, ’n verbetering.”


AGAMA LIZARD

THE agama jumps from a horizontal surface onto a vertical wall with ease. But if that surface is slippery, the lizard loses its footing, yet it still makes a successful landing on the wall. How? The secret is in the lizard’s tail.

When agamas jump from a coarse surface—which provides grip—they first stabilize their body and keep their tail downward. This helps them to jump at the correct angle. When on a slippery surface, though, the lizards tend to stumble and jump at the wrong angle. However, in midair, they correct the angle of their body by flicking their tail upward. The process is intricate. “Lizards must actively adjust the angle of their tails just right to remain upright,” says a report released by the University of California, Berkeley. The more slippery the platform, the more the lizard must raise its tail to ensure a safe landing.

The agama’s tail may help engineers design more-agile robotic vehicles that can be used to search for survivors in the aftermath of an earthquake or other catastrophe. “Robots are not nearly as agile as animals,” says researcher Thomas Libby, “so anything that can make a robot more stable is an advancement.”