真っ白なエビの謎が解明 – Physics World

イスラエルの研究者らは、海洋性のスカベンジャーに鮮やかな白色を与えているユニークな光学的ナノ構造を発見した。 イスラエル、ネゲブのベングリオン大学のベンジャミン・パーマー率いるチームは、さまざまなイメージング技術を使用して、パシフィッククリーナーシュリンプの球状粒子が、生成する散乱パターンの重複を避けながら、入射光を全方向に散乱させることを示した。 この発見は、生物由来の新しい白色顔料につながる可能性がある。

多くの生物は、ユニークで魅力的な方法で光を操作する能力を進化させてきました。 これらのメカニズムを模倣することで、研究者はレンズやミラーなどのいくつかの光学デバイスの新しい設計を導き出しました。 蝶の羽や鳥の羽などの構造も同様に、そのナノ構造によって散乱される光によって鮮やかな色を生み出す新しいコーティングにインスピレーションを与えています。

しかし、これまでのところ、ある色をこれらの構造的手段によって、つまり化学顔料に頼らずに生成するのが特に難しいことが判明しています。 「最も興味深い問題の XNUMX つは、白い絵の具や食品着色料に白っぽい色合いを与える無機材料の代替品を探すことです」とワイツマン科学研究所のチームメンバー、ダン・オロンは説明します。 「これは、これらの製品に最も一般的に使用されている無機材料であるナノ結晶チタニアが有害であると疑われているためです。」

光学的な混雑を克服する

問題の核心は、白色の色相を生成するには、すべての光波長の光子が方向情報を完全に失うように複数回散乱する必要があることです。 これを実現するには、散乱の原因となるナノ構造が非常に密に詰め込まれている必要があります。 しかし、そのような密なパッキングは、散乱パターンが重なり、散乱構造全体の反射率を低下させる「光学的混雑」の問題を引き起こします。

こうした課題にもかかわらず、ある動物は、光学的混雑の複雑さが克服できないわけではないことを証明しました。 熱帯地方のサンゴ礁に生息するパシフィック クリーナー シュリンプは、入ってくる光を最大 80% 反射する触角、表皮、尾、顎の印象的な白い色によって簡単に見分けられます。

高度なイメージングとシミュレーション

研究の中で、パーマーらは、エビの鮮やかな白い色合いの原因であることが知られている、クリーナーシュリンプの色素胞細胞のナノ構造に焦点を当てた。 彼らは、極低温電子顕微鏡法と光学イメージングを組み合わせて、細胞内の散乱層を形成する球形粒子の構造、組織、および光学的特性を特徴付けました。 彼らはまた、散乱媒体全体の光学応答を理解するために、電磁場伝播の数値シミュレーションを使用しました。

研究チームの分析により、これらの粒子は、その構成要素を構成する平らな分子の独特の構造と配置のおかげで、光をさまざまな方向に散乱させることが判明した。 「粒子はこれらの平面分子の液晶配列です」とオロン氏は説明する。 「これらの分子はすべて、その平らな面が球の半径に対して垂直になるように配置されています。」

全体として、この構造により、エビの触角と帯を白く見せるために必要な材料の量が大幅に削減されます。 これにより、よりきれいなエビの発色団細胞は光学的混雑の影響を排除すると同時に、粒子から散乱する入射光子の偏光をスクランブルし、その方向情報を破壊することができます。 「ある意味、この光学的異方性により、球体の集合体は、実際よりも高い屈折率を持つ材料でできているかのように光を散乱させます」とオロン氏は説明します。

より安全な白色塗料と食品着色料

この結果は、クリーナーシュリンプのような生物の進化的解決策が最適化されたテクノロジーをどのように刺激できるかを示す良い例です。 パーマー教授のチームは、エビの光学的異方性のメカニズムを模倣することで、将来の研究で、塗料や食品着色料などの製品に安全に使用できる高度な超白色有機ナノ構造を設計できることを期待している。

科学者は蝶のまばゆい構造色の原因となる遺伝子を特定します

「より一般的には、この研究結果は、適切な有機分子の同様の結晶配列の成長を習得できれば、人工光学デバイスの構築において強い光学異方性が設計パラメータとして果たせる役割を示している」とオロン氏は結論付けた。

研究はで説明されています Nature Photonicsの.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/mystery-of-bright-white-shrimp-solved/