در دهه گذشته، تیم‌هایی از مهندسان، شیمی‌دانان و زیست‌شناسان خواص فیزیکی و شیمیایی بال‌های سیکادا را تجزیه و تحلیل کرده‌اند، به این امید که راز توانایی آنها در کشتن میکروب‌ها را کشف کنند. اگر این عملکرد طبیعت توسط علم قابل تکرار باشد، ممکن است منجر به توسعه محصولات جدیدی با سطوح ذاتاً ضد باکتریایی شود که از روش‌های شیمیایی فعلی مؤثرتر هستند.
سوپرکامپیوتر یک راز قدیمی را در حوزه میکروب‌کشی حل کرد
هنگامی که محققان دپارتمان علوم مواد و مهندسی شیمی دانشگاه استونی بروک روش ساده‌ای را برای تکرار نانوساختار بال سیکادا توسعه دادند، هنوز برای سوال مهمی پاسخ نداشتند: نانوستون‌های روی سطح بال واقعاً چگونه باکتری ها را از بین می برند؟ خوشبختانه، آنها دقیقا می دانستند چه کسی می تواند به آنها در یافتن پاسخ کمک کند: یان-مایکل کاریلو، محقق مرکز علوم مواد نانوفاز در آزمایشگاه ملی اوک ریج در وزارت انرژی.
برای محققان علوم نانو که به دنبال مقایسه‌های محاسباتی برای آزمایش‌های خود هستند، مایکل کاریلو یک سرویس منحصر به فرد ارائه می‌دهد: شبیه‌سازی دینامیک مولکولی در مقیاس بزرگ و با وضوح بالا (MD) در ابررایانه Summit در مرکز محاسباتی رهبری اوک ریج.
مایا اندوه از محققان این پروژه گفت: «ما بلافاصله با مایکل کاریلو تماس گرفتیم و علاقه و انگیزه خود را در مورد امکان شبیه سازی ابراز کردیم. می‌دانستیم که شبیه‌سازی MD چگونه کار می‌کند، فرآیند بسیار پیچیده‌ای است و ما تجربه زیادی در انجام آنها نداریم.»
مایکل کاریلو گفت: «روش‌های ما برای شبیه‌سازی منحصر به فرد نیست. آنچه منحصر به فرد است این است که ما می‌توانیم از منابع OLCF استفاده کنیم تا بتوانیم بسیاری از پارامترها را اسکن کنیم و سیستم‌های بزرگتر را شبیه‌سازی کنیم.»
این گروه تحقیقاتی پس از الهام گرفتن از یک مقاله تحقیقاتی در سال ۲۰۱۲ که در مجله Small منتشر شده بود، تصمیم گرفتند بال‌های سیکادا را بررسی کنند که توانایی آنها در سوراخ کردن سلول‌های باکتریایی را با نتایج کشنده نشان می‌داد.
خودآرایی فرآیندی است که از بلوک کوپلیمرهای ساخته شده از دو یا چند هموپلیمر شیمیایی متمایز استفاده می‌کند که توسط یک پیوند کووالانسی به هم متصل شده اند. این مواد یک مسیر ساده و موثر برای ساختن نانوساختارهای تناوبی متراکم و بسیار منظم با کنترل آسان پارامترهای هندسی آنها در مناطق دلخواه و بزرگ ارائه می‌دهند. به عنوان مثال، نانو ستون‌های روی بال‌های سیکادا عموماً دارای ارتفاع و فاصله ۱۵۰ نانومتر هستند، اما تغییر این ابعاد نتایج جالبی داشت.
کوگا گفت: «بال سیکادا ساختار ستونی واقعاً زیبایی دارد، بنابراین ما تصمیم گرفتیم از آن استفاده کنیم. اما همچنین می‌خواستیم این ساختار را بهینه کنیم. در حال حاضر، ما می دانیم که بال سیکادا می تواند از چسبندگی باکتری ها جلوگیری کند، اما مکانیسم آن مشخص نیست. بنابراین، ما می‌خواستیم اندازه و ارتفاع ستون و فاصله بین ستون‌ها را کنترل کنیم. و سپس می خواستیم ببینیم چه پارامتر هندسی برای از بین بردن باکتری ها حیاتی است. کل ایده این پروژه همین است.»
محققان ORNL نانوساختار سطح بال مانند سیکادا را شبیه‌سازی کردند تا درک صحیحی در مورد توانایی‌های ضد باکتریایی آن بدست آورند. سالاتو گفت: «مشخص است که گاهی اوقات وقتی سلول‌های باکتری می‌میرند و روی سطوح جذب می‌شوند، بقایای آنها روی سطح می‌مانند و بنابراین محیط بهتری را برای برادرانشان برای ورود و جذب بالای آنها ایجاد می‌کنند. اینجاست که می‌بینید بسیاری از مواد زیست‌پزشکی شکست می‌خورند.»
شبیه‌سازی‌های این گروه سرنخ‌هایی از راز خاصیت ضدمیکروبی این ستون‌ها را با نشان دادن و چگونگی و مکان انبساط و فروپاشی غشای سلولی باکتری در ساختار محلی ستون‌ها ارائه کرد.