Forstå farve i en nanoskala

Nogle af de mest levende farvede væsner i dyreriget skylder ikke deres fantastiske farver pigment. I stedet, de dækker sig med mikroskopiske strukturer, der finjusterer den måde, de reflekterer lys på.

Nu, disse dyr inspirerer en ny generation af nanoteknologi.

Forstå hvorfor disse strukturer forekommer i naturen, og hvordan vi kan lære at bruge dem, har inspireret University of Melbourne's BioInspiration Hallmark Research Initiative; et projekt, der tager principper til grund for biologiske systemer og anvender dem kreativt på teknologi og design.

Fra biller til helt ny teknologi

Professor Devi Stuart-Fox, en forsker ved School of BioSciences ved University of Melbourne, kigger i øjeblikket ind i farveverdenen i dyreriget.

"Kan jeg give dig et eksempel?" hun spørger, peger på en samling af skinnende skaller på bordet foran hende.

"Vi har mange biller, der er så skinnende og metalliske, at de næsten er spejllignende, og spørgsmålet er 'hvorfor?'"

Inden for BioInspiration Initiative, Professor Stuart-Fox samarbejder med professor Ann Roberts, fra universitetets fysikskole, der arbejder på at fremstille strukturelle farver til teknologiske applikationer som mere kompakte skærme og kameraer med højere opløsning.

Farver

"Når du tænker på farvede objekter, generelt tænker du på farver, der er baseret på pigmenter eller farvestoffer, "Professor Roberts forklarer.

"I disse materialer absorberes de forskellige bølgelængder selektivt, og de andre vil blive reflekteret tilbage, og det er det, vi opfatter som værende farvet. "

Strukturel farve er mere nuanceret.

Ved at dække et materiale med arrays af nanostrukturer, det er muligt at indstille overfladen af ​​et materiale til bestemte lysbølgelængder.

Tilpasning af størrelsen og formen af ​​disse strukturer betyder, at forskere kan ændre, hvilke dele af det synlige spektrum en overflade interagerer med.

De kan præcist indstille hvilke bølgelængder der reflekteres, skaber ultrarene farver, samt hvilke bølgelængder der transmitteres, gør overfladen gennemsigtig for at vælge farver eller polarisationer af lys.

En ny farveverden

Sammenlignet med pigmenter, strukturelle farver låser op for en verden af ​​muligheder.

"Der er alle disse optiske effekter, du får med strukturelle farver, som du ikke får med pigmentbaserede farver, "Professor Stuart-Fox forklarer.

Strukturel farve giver mulighed for effekter som iriserende, hvor en overflade ændrer farve afhængigt af synsvinklen.

Du kan se dette på skærmen i kolibrierens fjerdragt. Den samme effekt er ansvarlig for de regnbuefarvede reflekser, du ser på bunden af ​​cd'er og dvd'er, og den farveskiftende perlemorsfarve på biler.

Det komplekse dilemma

Puslespillet for biologer som professor Stuart-Fox er at finde ud af, hvorfor dyr bruger så kompleks farve. Med nogle biller, strukturen af ​​deres skal skaber en spejllignende effekt.

"En idé er, at de er så skinnende, at de afspejler den omkringliggende vegetation, så det er camouflage. Selvom de ser ud til at skille sig ud som en øm tommelfinger, det fungerer faktisk virkelig, " hun siger.

"Den alternative forklaring er, at fugle og andre dyr let kan udvælge disse skinnende genstande, men de undgår dem - de tænker 'det er ikke mad'. Men ingen af ​​disse ideer er blevet testet. "

Professor Stuart-Fox opretter et stort forsøg med at placere hundredvis af replika biller i regnskove og åbne miljøer for at forsøge at skelne mellem camouflage- og undgåelsesteorier.

Hun kører også en visuel søgeopgave, der får folk, der bærer mobile eye trackers til at se, hvor effektive billernes camouflage er mod mennesker.

Naturinspirerende ny teknologi

Mens biologer ser på de evolutionære fordele ved strukturel farve, fysikere som professor Roberts arbejder på måder at udnytte strukturelle effekter til teknologiske applikationer.

En måde at lave strukturfarve på i laboratoriet er at skære mønstre ind i et materiale ved hjælp af elektroner i en proces kaldet elektronstråle -litografi.

Men det kan være tidskrævende og dyrt, og det kan kun bruges på små plastre.

"Vi arbejder faktisk på at udvikle en mere skalerbar tilgang, "siger professor Roberts.

Hendes arbejde indebærer at producere genanvendelige forme, der stempler strukturen til blød plast, som er meget mere effektiv til at dække store overflader end elektronstråle litografi. Det forenkler også farvningsprocessen betydeligt.

Hvis vi ser på standard farveudskrivning, det kræver lagdeling af flere forskellige blæk, derfor har inkjetprintere flere farvepatroner. Men strukturel farve kan opnå det samme resultat med et enkelt stempel.

Og, i modsætning til dets pigmentbaserede modstykke, strukturel farve falmer ikke over tid.

Farvens fremtid

Selvom strukturel farve kan have æstetiske anvendelser, Professor Roberts forskning ser på mere værdifulde anvendelser af teknologien, hvilket kunne muliggøre produktion af kameraer med højere opløsning samt ultratynde fjernsyn og smartphone-skærme.

For at opnå ting som højere opløsning, vi skal gøre pixels i disse enheder mindre.

Pixels bruger lille rød, grønne og blå filtre til at producere de farver, vi ser på vores skærme. Så, pixelstørrelse er grundlæggende begrænset af størrelsen på de farvefiltre, du kan producere.

Pigmentbaserede filtre i nuværende enheder er generelt nogle få mikrometer tykke. Men med strukturel farve, Professor Roberts kan oprette filtre, der er omkring ti gange tyndere, bevæger sig ind i nanometer skalaen. Mindre pixels giver mulighed for højere opløsninger og mere kompakt teknologi.

Hendes seneste forskning involverer at integrere et strukturelt farvefilter direkte i en siliciumchip.

"Filtrene, der producerer rød-grøn-blå, er derefter en del af den faktiske enhed, du bruger ikke et stort, farvebaseret filter, som du lægger oven på det, " hun siger.

Dette giver hende ikke kun mulighed for at lave mindre filtre, det undgår også fremstillingsvanskeligheder forbundet med at justere pigmentfiltre med pixels på mikroskalaen.

Professor Stuart-Fox siger, at nytten af ​​strukturel farve er i dens mangfoldighed.

"Biologiske strukturer har en tendens til at være komplekse, men de bruger et par grundlæggende byggesten, " hun siger.

"Nu hvor vi har kapaciteten til at fremstille mere komplekse strukturer og materialer, vi har større kapacitet til at trække på biologien som inspirationskilde. "