Skinnende fiskeskind inspirerer til lysreflektorer i nanoskala

En naturinspireret metode til at modellere refleksionen af ​​lys fra huden på sølvfarvede fisk og andre organismer kan være mulig, ifølge forskere fra Penn State.

En sådan teknik kan være anvendelig til at udvikle bedre bredbåndsreflektorer og brugerdefinerede multispektrale filtre til en lang række applikationer, inklusive avancerede optiske belægninger til glas, laser beskyttelse, infrarøde billedsystemer, optiske kommunikationssystemer og fotovoltaik, ifølge Douglas Werner, John L. og Genevieve H. McCain professor i elektroteknik, Penn State.

Den foreslåede model bidrager også til forståelsen af ​​den reflekterende lagdeling i huden på nogle organismer. De skinnende skind på visse båndfisk reflekterer lys over en bred vifte af bølgelængder, giver dem et strålende metallisk udseende. Refleksionsevnen er resultatet af stablede lag af krystallinske organiske forbindelser indlejret i deres huds cytoplasma. Nogle organismer med metallisk glans har lag, der er stablet i et regelmæssigt mønster, mens andre, inklusive båndfisken, har stablingsmønstre beskrevet som "kaotiske" eller tilfældige. Penn State-holdet fastslog, at stablingen ikke er fuldstændig tilfældig, og udviklede matematiske algoritmer til at replikere disse mønstre i halvledermaterialer.

"Vi foreslår en model, der bruger fraktal geometri til at beskrive lagdelingen i den biologiske struktur af sølvfarvede fisk, " siger Jeremy Bossard, postdoc forsker i elektroteknik, Penn State. "Selvom vi ikke forsøger at reproducere den struktur, der findes i naturen, den samme model kunne guide designet af enheder såsom bredbåndsspejle."

Fraktaler er blevet kaldt "naturens geometri", fordi de kan hjælpe med at beskrive de uregelmæssige, men selv-lignende mønstre, der forekommer i naturlige objekter såsom forgrenede trælemmer. Forskerne bruger en endimensionel fraktal, kendt som en Cantor bar fraktal, som er en linje divideret med mellemrum eller mellemrum. Normalt, Kantor fraktaler ser ud til at være meget regelmæssige, men når tilfældige ændringer introduceres til geometrien, et mere komplekst mønster opstår. Mønsteret ligner lagdelingen af ​​reflekterende lag i båndfiskskind.

"Der er et underliggende mønster, men der er indbygget tilfældighed, " siger Bossard, "svarende til den måde, at levende træer har et overordnet fraktalt mønster, men ikke vokser symmetrisk."

Forskerne bruger derefter en anden naturinspireret beregningsmetode kaldet en genetisk algoritme, der efterligner darwinistisk evolution for at skabe successive generationer af fraktale mønstre fra forældremønstrene. Over cirka 100 generationer, mønstrene konvergerer til det bedste design for at opfylde alle målkravene.

Ved at bruge disse fraktale tilfældige Cantor-stænger og den genetiske algoritme, forskerne var i stand til matematisk at generere mønstre rettet mod optiske funktioner i de mellem-infrarøde og nær-infrarøde områder, herunder bredbåndsrefleksion. De foreslår, at designtilgangen kan bruges til at udvikle nanoskala stakke med tilpassede reflekterende spektre. Forskningsresultaterne rapporteres i den 13. januar, 2016 udgave af Journal of the Royal Society Interface i "Udvikling af tilfældige fraktale Cantor-supergitter til det infrarøde ved hjælp af en genetisk algoritme."

Lan Lin, en nylig ph.d. kandidat i elektroteknik, også bidraget til arbejdet og udført materialefremstilling og karakterisering til projektet.