Lesklá rybí kůže inspirovala světelné odrážeče nanometrů

Words at War: The Ship / From the Land of the Silent People / Prisoner of the Japs (Červen 2019).

Anonim

Případově inspirovaná metoda modelování odrazu světla z kůže stříbřitých ryb a jiných organismů může být možná, tvrdí Penn State výzkumníci.

Taková technika může být použitelná pro vyvíjení lepších širokopásmových reflektorů a vlastních multi-spektrálních filtrů pro širokou škálu aplikací, včetně pokročilých optických povlaků pro sklo, laserovou ochranu, infračervené zobrazovací systémy, optické komunikační systémy a fotovoltaiku, podle Douglasa Wernera, Johna L. a Genevieve H. McCainová, profesorka pro elektrotechniku, Penn State.

Navrhovaný model také přispívá k pochopení reflexního vrstvení některých organismů v kůži. Lesklé kůže některých stužků odrážejí světlo přes širokou škálu vlnových délek, což jim dává brilantní kovový vzhled. Odrazivost je výsledkem stohovaných vrstev krystalických organických sloučenin obsažených v cytoplazmě jejich kůže. Některé organismy s kovovými leskem mají vrstvy, které jsou uspořádány v pravidelném vzoru, zatímco jiné, včetně stuhy, mají stohovací vzory označené jako "chaotické" nebo náhodné. Tým Penn State zjistil, že stohování není zcela náhodné a vyvinuté matematické algoritmy pro replikaci těchto vzorků v polovodičových materiálech.

"Navrhujeme model, který používá fraktální geometrii k popisu vrstvení v biologické struktuře stříbřitých ryb, " říká Jeremy Bossard, postdoctorální výzkumník v elektrotechnice, Penn State. "Zatímco se nesnažíme reprodukovat strukturu nacházející se v přírodě, stejný model by mohl řídit návrh zařízení, jako jsou širokopásmové zrcadla."

Fraktály byly nazývány "geometrií přírody", protože mohou pomoci při popisu nepravidelných, ale samo-podobných vzorků, které se vyskytují v přirozených objektech, jako jsou větve větví stromů. Vědci používají jednorozměrný fraktál, známý jako fraktál Cantor bar, který je čára dělená mezerami nebo mezerami. Obvykle se zdá, že fraktály Cantor jsou velmi pravidelné, ale když se do geometrie objeví náhodné změny, objeví se složitější vzorec. Vzorek připomíná vrstvení reflexních vrstev v kůži ribbonfish.

"Existuje podkladový vzorec, ale je zde vybudována náhoda, " říká Bossard, "podobný tomu, jak živé stromy mají celkový fraktální vzorec, ale ne symetricky rostou."

Výzkumníci pak používají jinou výpočetní metodu inspirovanou přírodou nazvanou genetický algoritmus, který napodobuje darwinovskou evoluci a vytváří po sobě jdoucí generace fraktálních vzorů z mateřských vzorků. Přes přibližně 100 generací se vzory shodují na nejlepším provedení tak, aby splňovaly všechny požadované cíle.

Pomocí těchto fraktálních náhodných karet Cantor a genetického algoritmu byli vědci schopni matematicky generovat vzory zaměřující se na optické funkce ve středních infračervených a blízkých infračervených pásmech, včetně širokopásmového odrazu. Navrhují, že návrhový přístup by mohl být použit k vývoji nanokamerových komínů s přizpůsobenými reflexními spektrami. Výsledky výzkumu jsou uvedeny v publikaci Journal of the Royal Society Interface v "Vyvolávání náhodných fraktálních Cantor superlattices pro infračervené použití pomocí genetického algoritmu".

Lan Lin, nedávný Ph.D. absolvent elektrotechniky, přispěl také k práci a realizaci materiálů a charakterizaci projektu.

menu
menu