주사형 전자현미경(SEM)을 통한 생물모방기술

지금까지  주사 전자현미경(SEM)에 의한 이미지를 주로 분류의 지표가 되는 형질의 관찰에 사용하여왔다. SEM은 곤충의 색상을 반영할수 없지만, 해상도가 좋고 높은 배율의 사진이 있다. 곤충의 다양한 부위를 SEM 관찰하여 폭넓은 정보를 얻을수 있어 새로운 활용법이 태어나는 것은 아닐까. 

◇ SEM이미지

기존의 현미경에 의한 관찰에서는 예를 들면 곤충의 수염과 같은 "맥시래리 펄프"(상악골 사지 )라는 기관이 중간에서 반투명으로 어렴풋이 있었다. SEM으로 확대해 나가면, 가시등 첨단의 전체 특성이 명확하게 된다. 눈 주위에 다양한 모양의 털이 있는 것으로 나타났다.

SEM으로 확대할 때 보다 정밀하게 찍으며 표면에 "증착​(증착)'이라는 금속막 코팅을 실시한다. 그냥 일단 증착을 해버리면, 금속막으로 덮어 버리게 되므로 취소할수 없고, 시간경과에 따른 열화에서 다음 사용할수 없게 되어 버린다. 보통의 현미경으로 확인할수 있는 정도의 곤충의 성상을 알고하고자 한다면 비증착도 상관없다. 날개의 표면구조의 경우 일반적 100-1000배로 확대한다. 기본적으로 전시 뒤쪽 복면 · 뒷날개 배면 · 뒷날개 복면의 4개의 부위가 대상이다. 예를 들어 4종류의 곤충을 비교하려면 세로로 4종류의 곤충, 옆에 각4부위의 화상과 같이, 총16장의 사진을 격자 모양으로 나란히 1개의 시트로하면 대조하다.

그런 다음 SEM에 의한 관찰 결과를 소개한다.

◇ 잠자리, 나비의 날개의 미세 구조

잠자리, 매미 따위의 날개의 투명한 막면에는 말뚝 모양 또는 나노젖꼭지는 미세 돌기군이 있다. 이러한 구조는 무반사성 또는 발수성등의 다기능을 가지고 있다고 생각된다. 그 중에서도 잠자리류는 지금 생물모방기술의 관점에서 매우 주목 받고있다. 날개는 인간이 발명한 비행기의 날개보다 훨씬 얇은 것으로되어 있어, 날개의 단면에 톱니 구조가 있다. 많은 연구자들은 유체 역학을 이용하여 비행 원리를 분석하고 있다.

잠자리는 빠르게 날고 바람을 타고 바다를 건너 장거리 이동합니다. 전후의 날개에는 지맥이있어, 거기에 길이 50​​ ~ 100 마이크로 미터 (μm) * 두께 10-20μm의 가시가 많이 나있다. 가시 지느러미보다 복부쪽이 긴 경향이있다. 이것은 잠자리의 비행 메커니즘에 관계하고 있다고 생각하지만, 아직 충분히 해명되어 있지않다. 빨리 날지않고, 장거리 이동을 하지않는 다른 여러 종류의 잠자리도 같이 가시가 있고 복부가 약간 길다. 

◇ 클로로포름에 용해 구조, 녹지 않는 구조

여러가지 잠자리의 날개를 실험 관찰했지만, 각각의 날개의 요철 구조는 전체적으로 큰 차이가 없다. 밀잠자리는 날개가 매우 투명하고 배는 소금이 붙은 것같은 창백한색을 하고있다. 클로로포름으로 2시간 씻으면, 날개가 반짝반짝해진다. 동체는 검게된다. 아무것도하지 않고 그대로 건조한 것은 빛나지 않는다. SEM에서 보면, 클로로포름으로 씻은 것은 섬세한 요철이 없어지고, 외형이 반들반들 빛의 반사가 나온다. 날개에 투명 불투명한 부분이 있어, 클로로포름으로 씻어도 모두 다르지 않다. 따라서 이 불투명 부분은 클로로포름으로 흐르는 것으로되어있는 것이 아니라는 것을 알았다. 고추잠자리의 경우, 클로로포름으로 씻고, 미세한 알갱이들 구조는 녹아 반들반들하지만, 아랫배의 붉은 부분의 색은 변하지 않는다. 클로로포름에 의해 녹아 버리는 구조가 있는 것으로 나타났다.

그런 발수 효과와의 관계를 검증했다. 그대로 건조한 밀잠자리의 날개는 물방울을 떨어뜨리면 구형이 훌륭하게 "초발수"현상을 보여준다. 그런데 이를 클로로포름으로 씻으면, 초발수는 커녕 발수조차 없어져 젖어 버린다.

투명한 날개의 막표면에 미세한 돌기가 일정하게 늘어서있는 것을 SEM을 발견했다. 전후의 날개의 투명한 부분을 증착하여 SEM 관찰해 보았다. 대략 5천배에서 알갱이들이 보인다하여 2만배 이라고 돌기가 있는 것이 확실히 알 수 있다. 이 모스아이 구조는 빛의 반사가 억제되어 있고 투명하기 때문에 빛을 투과한다. 즉, 세미 보호색을 가진 곤충과 달리 멈춰있는 나무 껍질을 투과하여 보여줌으로써, 눈에 띄지 않고 자신의 존재를 위장할수 있다. 

같은 투명한 날개라도, 씨에 의해 표면 구조는 다르다. 투명과 비 불투명 부분의 모양이 매우 다르다. 쓰르라미는보다 효율적으로 큰 규칙적이고 치밀한 구조다. 클로로포름으로 씻은 경우 대체로 씻지 않는 것에게 너무 다르지 않다. 돌기구조가 다소 야위어도 남아있어 발수성도 크게 다르지 않다. 투명한 날개의 구조는 잠자리와 세미는 성립이 다른것으로 나타났다.

 최근 모스아이 구조가 산업 제품에 활용된 예를 소개한다. 샤프는 액정TV(AQUOS) "화면에"모스아이 R패널을 탑재하여 새로운 플래그십으로 자리 매김, 2012년에 출시했다. 주위의 빛의 화면에 비쳐을 억제할수 있다. 잠자리 SEM 이미지에 샤프의 모스아이 구조의 이미지를 끼워 비교해 보았다. 이것은 곤충 분류학에서도 자주 사용하는 수법으로 늘어 놓아 보면 크기와 형태의 차이를 구분하기 쉽다. 축척은 모두 같다.