Mysterie van helderwitte garnaal opgelost - Physics World

Onderzoekers in Israël hebben de unieke optische nanostructuur ontdekt die een oceaanaaseter zijn briljante witte kleur geeft. Met behulp van een reeks beeldvormingstechnieken toonde een team onder leiding van Benjamin Palmer van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev, Israël, aan dat bolvormige deeltjes in Pacifische schonere garnalen het invallende licht in alle richtingen verstrooien, terwijl ze overlappingen in de verstrooiingspatronen die ze produceren vermijden. De ontdekking zou kunnen leiden tot nieuwe bio-geïnspireerde witte pigmenten.

Veel organismen hebben het vermogen ontwikkeld om licht op unieke en fascinerende manieren te manipuleren. Het nabootsen van deze mechanismen heeft onderzoekers geleid tot nieuwe ontwerpen voor verschillende optische apparaten, waaronder lenzen en spiegels. Structuren zoals vlindervleugels en vogelveren hebben ook geleid tot nieuwe coatings die levendige kleuren produceren door het licht dat door hun nanostructuren wordt verstrooid.

Tot nu toe is het echter bijzonder moeilijk gebleken om één kleur via deze structurele middelen te produceren, dat wil zeggen zonder afhankelijk te zijn van chemische pigmenten. "Een van de meest intrigerende problemen is de zoektocht naar alternatieven voor de anorganische materialen die witte verven en kleurstoffen voor levensmiddelen hun witachtige tinten geven", legt teamlid Dan Oron van het Weizmann Institute of Science uit. "Dit komt omdat het anorganische materiaal dat het meest in deze producten wordt gebruikt - nanokristallijn titania - wordt verdacht als schadelijk."

Optische drukte overwinnen

De kern van het probleem is dat om witte tinten te genereren, fotonen van alle optische golflengten meerdere keren moeten worden verstrooid, zodat ze hun richtingsinformatie volledig verliezen. Om dit te laten gebeuren, moeten de nanostructuren die verantwoordelijk zijn voor verstrooiing zeer strak worden verpakt. Een dergelijke dichte pakking creëert echter het probleem van "optische verdringing", waarbij verstrooiingspatronen elkaar overlappen, waardoor de algehele reflectie van de verstrooiingsstructuur afneemt.

Ondanks deze uitdagingen heeft één dier bewezen dat de complexiteit van optische verdringing niet onoverkomelijk is. De Pacifische poetsgarnaal leeft in koraalriffen in de tropen en is gemakkelijk te herkennen aan de opvallende witte kleur van zijn antennes, nagelriem, staart en kaak, die tot 80% van het invallende licht reflecteren.

Geavanceerde beeldvorming en simulatie

In hun studie concentreerden Palmer en collega's zich op nanostructuren in de chromatofoorcellen van de schonere garnaal, waarvan bekend is dat ze verantwoordelijk zijn voor hun schitterende witte tint. Met behulp van een combinatie van cryo-elektronenmicroscopie en optische beeldvorming karakteriseerden ze de structuur, organisatie en optische eigenschappen van de bolvormige deeltjes die de verstrooiingslaag in de cellen vormen. Ze gebruikten ook numerieke simulaties van de voortplanting van elektromagnetische velden om de optische respons van het verstrooiingsmedium als geheel te begrijpen.

Uit de analyse van het team bleek dat deze deeltjes licht in vele richtingen verstrooien dankzij de unieke structuur en rangschikking van de platte moleculen die hun bouwstenen vormen. "De deeltjes zijn vloeibaar-kristallijne arrangementen van deze vlakke moleculen", legt Oron uit. "Al deze moleculen zijn zo gerangschikt dat hun platte kant loodrecht op de straal van de bol staat."

Al met al vermindert deze structuur aanzienlijk de hoeveelheid materiaal die nodig is om de antennes en banden van de garnaal wit te laten lijken. Hierdoor kunnen de chromatofoorcellen van de poetsgarnaal de effecten van optische verdringing elimineren, terwijl ze ook de polarisatie van invallende fotonen versleutelen terwijl ze uit de deeltjes worden verspreid, waardoor hun richtingsinformatie wordt vernietigd. "In zekere zin zorgt deze optische anisotropie ervoor dat het ensemble van bollen licht verstrooit alsof ze zijn gemaakt van een materiaal met een hogere brekingsindex dan ze in werkelijkheid hebben", legt Oron uit.

Veiliger witte verf en kleurstoffen voor levensmiddelen

De resultaten zijn een goed voorbeeld van hoe evolutionaire oplossingen van organismen zoals de poetsgarnaal kunnen inspireren tot geoptimaliseerde technologieën. Door het mechanisme van de garnaal voor optische anisotropie na te bootsen, hoopt het team van Palmer dat onderzoekers in toekomstige studies geavanceerde, ultrawitte organische nanostructuren kunnen ontwerpen die veilig zijn voor gebruik in producten zoals verf en voedselkleuring.

Wetenschappers identificeren gen dat verantwoordelijk is voor de oogverblindende structurele kleuren van vlinders

"Meer in het algemeen wijzen de bevindingen op de rol die sterke optische anisotropie kan spelen als ontwerpparameter bij de constructie van kunstmatige optische apparaten, op voorwaarde dat we de groei van vergelijkbare kristallijne arrangementen van de juiste organische moleculen kunnen beheersen", concludeert Oron.

Het onderzoek is beschreven in Natuur Fotonica.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/mystery-of-bright-white-shrimp-solved/