211service.com
Naturens fotoniske krystal
Forskere har opdaget en art af brasiliansk bille, der har det usædvanlige træk at reflektere iriserende grønt fra næsten enhver vinkel. Ved at undersøge strukturen af billens skæl fandt forskere ved University of Utah en ideel fotonisk krystalstruktur til synligt lys - en type materiale, som optiske videnskabsmænd har søgt i årevis.
Diamanter i roughen: Den tomme lange brasilianske bille Lamprocyphus augustus (øverst) har skæl, der indeholder fotoniske krystaller, hvilket giver insektet dens unikke grønne shimmer. I det nederste billede reflekterer individuelle skæl på billen iriserende grønt på grund af mikroskopiske diamantlignende strukturer.
Tredimensionelle periodiske strukturer kaldet fotoniske krystaller er potentielt værdifulde materialer til at kontrollere fotoner; Forskere kunne bruge fotoniske krystaller, der opererer ved synlige bølgelængder, til at udvikle mere effektive solceller, telekommunikation, sensorer og endda optiske computerchips. En diamantbaseret struktur menes især at være den mest effektive tredimensionelle fotoniske krystal til synligt lys, fordi den kan reflektere et bredt farvebånd og har høj reflektivitet. Mindre lys, der slipper ud, betyder, at forskere bedre kan kontrollere og manipulere fotonerne.
Fotoniske krystaller, der styrer synligt lys, har været udfordrende for forskere at fremstille af passende materialer, på grund af hvor lille periodiciteten i strukturen skal være for at manipulere så korte bølgelængder. Der er blevet skabt en- og todimensionelle fotoniske krystaller til synligt lys, samt en tredimensionel diamantstruktur til de længere bølgelængder af infrarød. Der er endnu ikke lavet en diamantstruktur, der kan reflektere synligt lys over alle vinkler for alle polariseringer. Men at studere denne billes skalaer kan give ny indsigt i, hvordan man konstruerer sådan en tredimensionel fotonisk krystal til synligt lys.
Michael Bartl , en professor ved University of Utah, kandidatstuderende Jeremy Galusha, og deres kolleger brugte en meget tynd udskæringsteknik til at opdage og modellere skalaerne af Lamprocyphus augustus . Inde i hver skala, som er omkring 100 mikrometer på tværs og 15 til 20 mikrometer tyk, er en tredimensionel fotonisk struktur. Strukturen ligner, hvordan kulstofatomer arrangerer sig i en diamant, og den består af et krystalgitter med en repeterende periodisk enhedsstruktur på omkring 300 nanometer, siger Bartl. Inden for en skala er diamantgitteret placeret i forskellige orienteringer, hvilket giver billen dens grønne glans fra næsten enhver vinkel.
De diamantstrukturerede fotoniske krystaller er blandt de sværeste at fremstille, siger professor i Georgia Tech Zhong Lin Wang . Ved at bruge biologi som skabelon viser dette papir muligheden for at fremstille menneskeskabte fotoniske diamantkrystaller med veldesignet optisk ydeevne, siger han.
Selve billens skæl kan ikke bruges til nogen praktisk anvendelse, fordi kitinmaterialet er for skrøbeligt og ikke ledende. Gruppen er i gang med at støbe billeskællene ud af en halvleder. Vi gør gode fremskridt, siger Bartl. Udover at bruge billestrukturen som en form, studerer han og hans kolleger også, hvordan billen fremstiller strukturen, i håb om at efterligne processen til at skabe kunstige diamantfotoniske strukturer.
Anvendelser, der bruger fotoniske krystaller, har været mere eller mindre begrænset til det nære infrarøde spektrum, siger Ayman Abouraddy, en forsker ved MIT. Vi ved allerede [at diamantstrukturen] vil være nyttig; vi ved bare ikke, hvordan vi gør det effektivt. Det faktum, at en bille – med en nedadgående og beskidt kemisk syntesetilgang – er i stand til at skabe en ganske ren struktur som denne, er overraskende.