211service.com
Fotonisch kristal van de natuur
Onderzoekers hebben een soort Braziliaanse kever ontdekt die de ongebruikelijke eigenschap heeft om vanuit bijna elke hoek iriserend groen te reflecteren. Door de structuur van de schubben van de kever te onderzoeken, vonden wetenschappers van de Universiteit van Utah een ideale fotonische kristalstructuur voor zichtbaar licht - een soort materiaal waar optische wetenschappers al jaren naar op zoek zijn.
Ruwe diamanten: De inch-lange Braziliaanse kever Lamprocyphus augustus (boven) heeft schubben die fotonische kristallen bevatten, waardoor het insect zijn unieke groene glans krijgt. In de onderste afbeelding reflecteren individuele schubben op de kever iriserend groen, dankzij microscopisch kleine diamantachtige structuren.
Driedimensionale periodieke structuren die fotonische kristallen worden genoemd, zijn potentieel waardevolle materialen voor het beheersen van fotonen; wetenschappers zouden fotonische kristallen kunnen gebruiken die op zichtbare golflengten werken om efficiëntere zonnecellen, telecommunicatie, sensoren en zelfs optische computerchips te ontwikkelen. Vooral een op diamanten gebaseerde structuur wordt beschouwd als het meest effectieve driedimensionale fotonische kristal voor zichtbaar licht, omdat het een brede band van kleuren kan reflecteren en een hoge reflectiviteit heeft. Doordat er minder licht ontsnapt, kunnen onderzoekers de fotonen beter controleren en manipuleren.
Fotonische kristallen die zichtbaar licht beheersen, waren voor wetenschappers een uitdaging om uit geschikte materialen te fabriceren, vanwege hoe klein de periodiciteit in de structuur moet zijn om zo korte golflengten te manipuleren. Er zijn een- en tweedimensionale fotonische kristallen voor zichtbaar licht gecreëerd, evenals een driedimensionale diamantstructuur voor de langere golflengten van infrarood. Een diamantstructuur die zichtbaar licht over alle hoeken voor alle polarisaties kan reflecteren, is nog niet gemaakt. Maar het bestuderen van de schubben van deze kever kan nieuwe inzichten opleveren over de constructie van zo'n driedimensionaal fotonisch kristal voor zichtbaar licht.
Michael Bartl , een professor aan de Universiteit van Utah, afgestudeerde student Jeremy Galusha, en hun collega's gebruikten een zeer dunne snijtechniek om de schalen van de Lamprocyphus augustus . Binnen elke schaal, die ongeveer 100 micrometer breed en 15 tot 20 micrometer dik is, bevindt zich een driedimensionale fotonische structuur. De structuur lijkt op hoe koolstofatomen zich rangschikken in een diamant, en het bestaat uit een kristalrooster met een herhalende periodieke eenheidsstructuur van ongeveer 300 nanometer, zegt Bartl. Binnen een schaal is het diamantrooster in verschillende oriëntaties geplaatst, waardoor de kever vanuit bijna elke hoek zijn groene glans krijgt.
De fotonische kristallen met diamantstructuur behoren tot de moeilijkst te vervaardigen kristallen, zegt professor Georgia Tech Zhong Lin Wang . Door biologie als sjabloon te gebruiken, toont dit artikel de mogelijkheid om door de mens gemaakte fotonische diamantkristallen te fabriceren met goed ontworpen optische prestaties, zegt hij.
De schubben van de kever zelf kunnen voor geen enkele praktische toepassing worden gebruikt, omdat het chitinemateriaal te kwetsbaar en niet geleidend is. De groep is bezig met het vormen van de keverschubben uit een halfgeleider. We maken goede vorderingen, zegt Bartl. Naast het gebruik van de keverstructuur als mal, bestuderen hij en zijn collega's ook hoe de kever de structuur vervaardigt, in de hoop het proces na te bootsen om kunstmatige diamanten fotonische structuren te creëren.
Toepassingen met fotonische kristallen zijn min of meer beperkt tot het nabij-infraroodspectrum, zegt Ayman Abouraddy, onderzoeker aan het MIT. We weten al [dat de diamantstructuur] nuttig zal zijn; we weten gewoon niet hoe we het efficiënt kunnen maken. Het feit dat een kever - met een vuile chemische synthesebenadering - in staat is om zo'n schone structuur te creëren, is verrassend.