211service.com
Naturens fotoniska kristall
Forskare har upptäckt en art av brasiliansk skalbagge som har den ovanliga egenskapen att reflektera iriserande grönt från nästan vilken vinkel som helst. Genom att undersöka strukturen på skalbaggens fjäll fann forskare vid University of Utah en idealisk fotonisk kristallstruktur för synligt ljus - en typ av material som optiska forskare har letat efter i åratal.
Diamanter i roughen: Den tumlånga brasilianska skalbaggen Lamprocyphus augustus (överst) har fjäll som innehåller fotoniska kristaller, vilket ger insekten dess unika gröna skimmer. I den nedre bilden reflekterar individuella fjäll på skalbaggen iriserande grönt, på grund av mikroskopiska diamantliknande strukturer.
Tredimensionella periodiska strukturer som kallas fotoniska kristaller är potentiellt värdefulla material för att kontrollera fotoner; Forskare kan använda fotoniska kristaller som arbetar vid synliga våglängder för att utveckla mer effektiva solceller, telekommunikation, sensorer och till och med optiska datorchips. En diamantbaserad struktur, i synnerhet, tros vara den mest effektiva tredimensionella fotoniska kristallen för synligt ljus, eftersom den kan reflektera ett brett färgband och har hög reflektivitet. Mindre ljus som strömmar ut betyder att forskare kan bättre kontrollera och manipulera fotonerna.
Fotoniska kristaller som styr synligt ljus har varit utmanande för forskare att tillverka av lämpliga material, på grund av hur liten periodiciteten i strukturen måste vara för att manipulera så korta våglängder. En- och tvådimensionella fotoniska kristaller för synligt ljus har skapats, liksom en tredimensionell diamantstruktur för de längre våglängderna av infrarött. En diamantstruktur som kan reflektera synligt ljus över alla vinklar för alla polarisationer har ännu inte gjorts. Men att studera den här skalbaggens fjäll kan ge nya insikter om hur man konstruerar en sådan tredimensionell fotonisk kristall för synligt ljus.
Michael Bartl , professor vid University of Utah, doktorand Jeremy Galusha och deras kollegor använde en mycket tunn skivningsteknik för att upptäcka och modellera skalorna för Lamprocyphus augustus . Inuti varje skala, som är cirka 100 mikrometer tvärs över och 15 till 20 mikrometer tjock, finns en tredimensionell fotonisk struktur. Strukturen liknar hur kolatomer ordnar sig i en diamant, och den består av ett kristallgitter med en återkommande periodisk enhetsstruktur på cirka 300 nanometer, säger Bartl. Inom en skala är diamantgallret placerat i olika orienteringar, vilket ger skalbaggen dess gröna glans från nästan alla vinklar.
De diamantstrukturerade fotonkristallerna är bland de svåraste att tillverka, säger professor i Georgia Tech Zhong Lin Wang . Med hjälp av biologi som mall visar detta dokument möjligheten att tillverka konstgjorda fotoniska diamantkristaller med väldesignad optisk prestanda, säger han.
Själva skalbaggens fjäll kan inte användas för någon praktisk tillämpning, eftersom kitinmaterialet är för ömtåligt och inte ledande. Gruppen håller på att forma skalbaggens fjäll ur en halvledare. Vi gör goda framsteg, säger Bartl. Förutom att använda skalbaggens struktur som en form, studerar han och hans kollegor också hur skalbaggen tillverkar strukturen, i hopp om att efterlikna processen för att skapa fotoniska strukturer av artificiell diamant.
Tillämpningar som använder fotoniska kristaller har varit mer eller mindre begränsade till det nära infraröda spektrumet, säger Ayman Abouraddy, forskare vid MIT. Vi vet redan [att diamantstrukturen] kommer att vara användbar; vi vet bara inte hur vi ska göra det effektivt. Det faktum att en skalbagge – med en nedsmutsad kemisk syntes – kan skapa en ganska ren struktur som denna är förvånande.