Λύθηκε το μυστήριο των λαμπερών λευκών γαρίδων – Physics World

Ερευνητές στο Ισραήλ ανακάλυψαν τη μοναδική οπτική νανοδομή που δίνει σε έναν ωκεανό οδοκαθαριστή το λαμπρό λευκό του χρώμα. Χρησιμοποιώντας μια σειρά τεχνικών απεικόνισης, μια ομάδα με επικεφαλής τον Benjamin Palmer στο Πανεπιστήμιο Ben-Gurion του Negev, στο Ισραήλ, έδειξε ότι τα σφαιρικά σωματίδια στις καθαρότερες γαρίδες του Ειρηνικού διαχέουν το εισερχόμενο φως προς όλες τις κατευθύνσεις, αποφεύγοντας παράλληλα οποιαδήποτε επικάλυψη στα μοτίβα σκέδασης που παράγουν. Η ανακάλυψη θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες βιο-εμπνευσμένες λευκές χρωστικές.

Πολλοί οργανισμοί έχουν εξελίξει την ικανότητα να χειρίζονται το φως με μοναδικούς και συναρπαστικούς τρόπους. Η μίμηση αυτών των μηχανισμών οδήγησε τους ερευνητές σε νέα σχέδια για αρκετές οπτικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων των φακών και των καθρεφτών. Κατασκευές όπως φτερά πεταλούδας και φτερά πουλιών έχουν επίσης εμπνεύσει νέες επικαλύψεις που παράγουν ζωντανά χρώματα μέσω του φωτός που διαχέεται από τις νανοδομές τους.

Μέχρι στιγμής, ωστόσο, ένα χρώμα έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολο να παραχθεί μέσω αυτών των δομικών μέσων – δηλαδή, χωρίς να βασίζεται σε χημικές χρωστικές. «Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα προβλήματα είναι η αναζήτηση εναλλακτικών λύσεων για τα ανόργανα υλικά που δίνουν στις λευκές βαφές και στις χρωστικές τροφίμων τις λευκές αποχρώσεις τους», εξηγεί το μέλος της ομάδας Dan Oron του Ινστιτούτου Επιστήμης Weizmann. «Αυτό συμβαίνει επειδή το ανόργανο υλικό που χρησιμοποιείται πιο συχνά σε αυτά τα προϊόντα - η νανοκρυσταλλική τιτάνια - είναι ύποπτο ως επιβλαβές».

Ξεπερνώντας το οπτικό συνωστισμό

Το βασικότερο πρόβλημα είναι ότι για να δημιουργηθούν λευκές αποχρώσεις, τα φωτόνια όλων των οπτικών μηκών κύματος πρέπει να διασκορπιστούν πολλές φορές, έτσι ώστε να χάνουν εντελώς τις κατευθυντήριες πληροφορίες τους. Για να συμβεί αυτό, οι νανοδομές που είναι υπεύθυνες για τη σκέδαση πρέπει να συσκευάζονται πολύ σφιχτά. Τέτοια σφιχτή συσκευασία, ωστόσο, δημιουργεί το πρόβλημα του «οπτικού συνωστισμού», όπου τα σχέδια σκέδασης επικαλύπτονται – μειώνοντας τη συνολική ανάκλαση της δομής διασποράς.

Παρά αυτές τις προκλήσεις, ένα ζώο έχει αποδείξει ότι η πολυπλοκότητα του οπτικού συνωστισμού δεν είναι ανυπέρβλητη. Κατοικώντας σε κοραλλιογενείς υφάλους στις τροπικές περιοχές, η καθαρή γαρίδα του Ειρηνικού αναγνωρίζεται εύκολα από τον εντυπωσιακό λευκό χρωματισμό των κεραιών, της επιδερμίδας, της ουράς και της γνάθου της, που αντανακλούν έως και το 80% του εισερχόμενου φωτός.

Προηγμένη απεικόνιση και προσομοίωση

Στη μελέτη τους, ο Palmer και οι συνεργάτες του εστίασαν στις νανοδομές στα χρωματοφόρα κύτταρα της καθαρότερης γαρίδας, τα οποία είναι γνωστό ότι είναι υπεύθυνα για τη λαμπερή λευκή τους απόχρωση. Χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό κρυοηλεκτρονικής μικροσκοπίας και οπτικής απεικόνισης, χαρακτήρισαν τη δομή, την οργάνωση και τις οπτικές ιδιότητες των σφαιρικού σχήματος σωματιδίων που σχηματίζουν το στρώμα σκέδασης μέσα στα κύτταρα. Χρησιμοποίησαν επίσης αριθμητικές προσομοιώσεις της διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου για να κατανοήσουν την οπτική απόκριση του μέσου σκέδασης στο σύνολό του.

Η ανάλυση της ομάδας αποκάλυψε ότι αυτά τα σωματίδια διασκορπίζουν το φως σε πολλές κατευθύνσεις χάρη στη μοναδική δομή και διάταξη των επίπεδων μορίων που αποτελούν τα δομικά στοιχεία τους. «Τα σωματίδια είναι υγρές κρυσταλλικές διατάξεις αυτών των επίπεδων μορίων», εξηγεί ο Oron. «Όλα αυτά τα μόρια είναι διατεταγμένα έτσι ώστε η επίπεδη πλευρά τους να είναι κάθετη στην ακτίνα της σφαίρας».

Συνολικά, αυτή η δομή μειώνει σημαντικά την ποσότητα του υλικού που απαιτείται για να φαίνονται λευκές οι κεραίες και οι ζώνες της γαρίδας. Αυτό επιτρέπει στα χρωματοφόρα κύτταρα της καθαρότερης γαρίδας να εξαλείψουν τις επιπτώσεις του οπτικού συνωστισμού, ενώ ταυτόχρονα ανακατεύουν την πόλωση των προσπίπτοντων φωτονίων καθώς διασκορπίζονται από τα σωματίδια - καταστρέφοντας τις κατευθυντήριες πληροφορίες τους. «Κατά μία έννοια, αυτή η οπτική ανισοτροπία κάνει το σύνολο των σφαιρών να διασκορπίζει το φως σαν να ήταν φτιαγμένες από υλικό με υψηλότερο δείκτη διάθλασης από ό,τι πραγματικά έχουν», εξηγεί ο Oron.

Πιο ασφαλή λευκά χρώματα και χρωστικές τροφίμων

Τα αποτελέσματα είναι ένα καλό παράδειγμα του πώς οι εξελικτικές λύσεις οργανισμών όπως οι καθαρότερες γαρίδες μπορούν να εμπνεύσουν βελτιστοποιημένες τεχνολογίες. Μιμούμενοι τον μηχανισμό της γαρίδας για την οπτική ανισοτροπία, η ομάδα του Palmer ελπίζει ότι οι ερευνητές σε μελλοντικές μελέτες θα μπορούσαν να σχεδιάσουν προηγμένες, εξαιρετικά λευκές οργανικές νανοδομές που είναι ασφαλείς για χρήση σε προϊόντα όπως βαφές και χρωστικές τροφίμων.

Οι επιστήμονες εντοπίζουν το γονίδιο που ευθύνεται για τα εκθαμβωτικά δομικά χρώματα της πεταλούδας

«Γενικά, τα ευρήματα δείχνουν τον ρόλο που μπορεί να διαδραματίσει η ισχυρή οπτική ανισοτροπία ως σχεδιαστική παράμετρος στην κατασκευή τεχνητών οπτικών συσκευών, υπό την προϋπόθεση ότι μπορούμε να κυριαρχήσουμε στην ανάπτυξη παρόμοιων κρυσταλλικών διατάξεων των σωστών οργανικών μορίων», καταλήγει ο Oron.

Η έρευνα περιγράφεται στο Nature Photonics.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/mystery-of-bright-white-shrimp-solved/