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Imaging termico per vedere oltre la superficie delle ali delle farfalle

Si è scoperto che le farfalle sono incredibili sia osservandole dall’interno grazie alla termografia, sia nello spettro della luce visibile. Secondo uno studio pubblicato sulla rivista Nature dai ricercatori della Columbia Engineering e dell’Università di Harvard, è possibile esaminare le proprietà termodinamiche delle ali delle farfalle e l’importanza del raffreddamento radiativo nel riuscire a sostenere in aria queste delicate strutture.

Nanfang Yu, professore associato di fisica applicata alla Columbia, spiega come la termografia abbia giocato un ruolo fondamentale nella ricerca. Afferma Yu: “È il metodo meno invasivo per misurare la temperatura“.

In questa ricerca il team ha identificato strutture complesse di tessuto vivo nelle ali delle farfalle, che contribuiscono fortemente alla termoregolazione. Con una termocamera come la FLIR T865, “all’inizio si vede essenzialmente lo scheletro della farfalla”, prosegue Yu: “È quasi come una radiografia: si vedono la struttura, le nervature delle ali, la membrana… l’intera sezione trasversale del materiale delle ali“. Nell’immagine termica i colori brillanti e la fantasia dell’ala di una farfalla scompaiono e ciò che si vede è invece la struttura sottostante l’ala stessa.

I precedenti studi sulle ali delle farfalle si limitavano all’utilizzo di apparecchiature come le termocoppie, per misurare la temperatura. Anche le sonde più piccole sono grandi rispetto allo spessore di un’ala di farfalla e l’azione di misurazione stessa può influenzare la temperatura locale. La possibilità di misurare solo punto per punto potrebbe inoltre introdurre ulteriori imprecisioni.

Con la termografia, “si può misurare e mappare l’intera distribuzione della temperatura“, afferma Yu. Il suo team è stato in grado di visualizzare e misurare la differenza di temperatura tra le venature delle ali, la membrana e altre strutture come l’androconia. Hanno scoperto che le aree delle ali delle farfalle che contengono cellule vive (nervature alari) hanno una maggiore emissività termica rispetto alle regioni “senza vita” dell’ala (membrana).

Questa tecnica di imaging ci consente di esaminare gli adattamenti fisici che scompongono l’aspetto visibile dell’ala dalle sue proprietà termodinamiche. Abbiamo scoperto che le diverse nanostrutture delle scaglie e gli spessori non uniformi delle cuticole creano una distribuzione eterogenea del raffreddamento radiativo, ossia la dissipazione del calore attraverso la radiazione termica, che riduce selettivamente la temperatura delle strutture viventi come le nervature delle ali e l’androconia”, spiega Yu in un articolo della Columbia Engineering.

Imaging termico farfalle

La misurazione di temperatura delle ali delle farfalle con la termografia non è priva di ostacoli. “La sfida, nel caso dell’ala di farfalla, consiste nel fatto che la termocamera fornisce una lettura della temperatura, ma non si può fare affidamento unicamente sui dati rilevati. L’ala di farfalla è semitrasparente all’infrarosso, quindi quando si osserva un’ala di farfalla con una termocamera non si riceve solo la radiazione termica dell’ala stessa, ma si riceve anche la radiazione termica generata dallo sfondo dietro l’ala“, prosegue Yu. Un fenomeno simile può essere osservato con un sottile foglio di plastica, come un sacchetto di plastica della spesa, che proprio come un’ala di farfalla, è opaco nello spettro della luce visibile, ma trasparente nell’infrarosso.

Oltre a mappare la distribuzione termica delle ali delle farfalle, i ricercatori hanno anche condotto studi comportamentali attraverso osservazioni termografiche. Usando una piccola luce come fonte di calore, hanno dimostrato che le farfalle usano le ali per percepire la direzione e l’intensità della luce solare. Alla temperatura di “innesco” di circa 40°C, tutte le specie che hanno studiato si sono girate in pochi secondi per scansare la luce ed evitare che le ali si surriscaldassero.

Questa non è la prima volta che Yu utilizza una termocamera per studiare gli insetti. “Quando sono entrato in Columbia nel 2013, la termocamera FLIR è stata una delle prime apparecchiature che ho acquistato per allestire il mio laboratorio“, ricorda Yu.

Sebbene il suo ambito di ricerca si concentri principalmente sulla nanofotonica, Yu è particolarmente interessato all’interazione tra biologia, fotonica e fisica. Gli amici ricercatori biologi “spesso mi interrogano facendo domande sulla storia della vita degli animali che stanno studiando… mi piace aiutarli a risolvere questi misteri dal punto di vista della fisica e della fotonica”.

In una precedente collaborazione con un collega nanobiologo, Yu ha studiato le formiche d’argento del Sahara, che cercano cibo durante le giornate torride in uno degli ambienti terrestri più caldi della terra. Anche nel caso di questa ricerca, pubblicata su Science nel 2015, i ricercatori hanno utilizzato una termocamera scientifica FLIR per monitorare la temperatura corporea delle formiche.

Si chiedevano come questi insetti così piccoli potessero sopravvivere a condizioni così dure. “L’aspetto interessante in questo caso è capire come gli insetti piccoli e leggeri, le minuscole formiche o le sottili ali delle farfalle, si gestiscono termodinamicamente, perché in effetti sono  decisamente limitati in questo senso“, spiega Yu. A causa della loro ridotta capacità termica, i piccoli animali, come gli insetti, possono raggiungere temperature elevatissime in pochi secondi.

Imaging termico farfalle

Le formiche d’argento affrontano il caldo estremo usando i peli finissimi che ricoprono i loro corpi. Questi peli svolgono due funzioni: la retrodiffusione della luce nella lunghezza d’onda della luce visibile e dell’infrarosso per ridurre la quantità di assorbimento di energia solare e migliorare l’emissività termica: quando il corpo della formica è riscaldato può distribuire meglio il calore sotto forma di radiazione termica.

Volevamo scoprire come i piccoli animali si fossero adattati per sopravvivere al caldo estremo“, dice Yu. Il suo ultimo studio approfondisce la questione di come i piccoli insetti riescano a ridurre il calore corporeo. Le ali delle farfalle sono coperte da sensori meccanici per rilevare il surriscaldamento e le scaglie alari contengono nanostrutture che aiutano a facilitare il raffreddamento radiativo. Oltre all’interesse biologico di queste scoperte, Yu ritiene che potrebbero servire da ispirazione per la progettazione di nanostrutture resistenti al calore e di aeromobili sensibili al calore.

Yu e la sua collega Naomi E. Pierce, professoressa di biologia di Hessel, hanno in programma di proseguire le loro ricerche sulle ali delle farfalle. Pierce è responsabile dell’area Lepidotteri  presso il Museum of Comparative Zoology di Harvard e ha accesso a una vasta collezione di farfalle e falene.

Attualmente i due ricercatori stanno conducendo uno studio approfondito sulla  collezione utilizzando una termocamera con l’obiettivo di comprendere i fattori che concorrono alla progettazione di un’ala di farfalla.

Yu paragona il lavoro alla “decifrazione di un libro complesso” in virtù dei diversi elementi che hanno avuto un ruolo nell’evoluzione dell’ala delle farfalle. Chiaramente, questo è un libro che vale la pena di leggere attentamente per vedere a quali altre scoperte potremmo assistere.

È possibile saperne di più e accedere al report originale sul sito Teledyne FLIR.

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