Tajemnica jasnobiałych krewetek rozwiązana – Świat Fizyki

Naukowcy z Izraela odkryli unikalną nanostrukturę optyczną, która nadaje oceanicznemu padlinożercy lśniący biały kolor. Wykorzystując szereg technik obrazowania, zespół kierowany przez Benjamina Palmera z Ben-Gurion University of the Negev w Izraelu wykazał, że kuliste cząsteczki w krewetkach czystszych z Pacyfiku rozpraszają przychodzące światło we wszystkich kierunkach, unikając jednocześnie nakładania się wytwarzanych przez nie wzorców rozpraszania. Odkrycie może doprowadzić do powstania nowych białych pigmentów inspirowanych biologią.

Wiele organizmów wyewoluowało zdolność manipulowania światłem w wyjątkowy i fascynujący sposób. Naśladowanie tych mechanizmów doprowadziło naukowców do nowych projektów kilku urządzeń optycznych, w tym soczewek i luster. Struktury, takie jak skrzydła motyli i ptasie pióra, również zainspirowały nowe powłoki, które wytwarzają żywe kolory dzięki światłu rozproszonemu przez ich nanostruktury.

Jak dotąd jednak jeden kolor okazał się szczególnie trudny do wyprodukowania za pomocą tych środków strukturalnych – to znaczy bez polegania na pigmentach chemicznych. „Jednym z najbardziej intrygujących problemów jest poszukiwanie alternatyw dla materiałów nieorganicznych, które nadają białym farbom i barwnikom spożywczym ich białawe odcienie” — wyjaśnia członek zespołu, Dan Oron z Instytutu Nauki Weizmanna. „Dzieje się tak, ponieważ podejrzewa się, że materiał nieorganiczny najczęściej stosowany w tych produktach – nanokrystaliczny tlenek tytanu – jest szkodliwy”.

Pokonywanie zatłoczenia optycznego

Istota problemu polega na tym, że aby wygenerować białe odcienie, fotony o wszystkich długościach fal optycznych muszą zostać wielokrotnie rozproszone, tak aby całkowicie utraciły informacje o kierunku. Aby tak się stało, nanostruktury odpowiedzialne za rozpraszanie muszą być bardzo ciasno upakowane. Takie ciasne upakowanie stwarza jednak problem „stłoczenia optycznego”, w którym wzory rozpraszania nakładają się na siebie – zmniejszając ogólny współczynnik odbicia struktury rozpraszania.

Pomimo tych wyzwań jedno zwierzę udowodniło, że złożoność optycznego zatłoczenia nie jest nie do pokonania. Zamieszkujące rafy koralowe w tropikach krewetki czystsze z Pacyfiku można łatwo rozpoznać po uderzająco białym zabarwieniu ich czułków, naskórka, ogona i szczęki, które odbijają do 80% wpadającego światła.

Zaawansowane obrazowanie i symulacja

W swoich badaniach Palmer i współpracownicy skupili się na nanostrukturach w komórkach chromatoforowych czystszych krewetek, o których wiadomo, że są odpowiedzialne za ich genialny biały odcień. Korzystając z połączenia mikroskopii krioelektronowej i obrazowania optycznego, scharakteryzowali strukturę, organizację i właściwości optyczne kulistych cząstek, które tworzą warstwę rozpraszającą w komórkach. Wykorzystali również symulacje numeryczne propagacji pola elektromagnetycznego, aby zrozumieć odpowiedź optyczną ośrodka rozpraszającego jako całości.

Analiza zespołu wykazała, że ​​cząstki te rozpraszają światło w wielu kierunkach dzięki unikalnej strukturze i rozmieszczeniu płaskich cząsteczek, które stanowią ich budulec. „Cząstki są ciekłokrystalicznymi układami tych płaskich cząsteczek” — wyjaśnia Oron. „Wszystkie te cząsteczki są ułożone w taki sposób, że ich płaska strona jest prostopadła do promienia kuli”.

W sumie ta struktura znacznie zmniejsza ilość materiału potrzebnego do tego, aby czułki i paski krewetek wyglądały na białe. Umożliwia to komórkom chromatoforowym czystszej krewetki wyeliminowanie skutków zatłoczenia optycznego, a także zakłócenie polaryzacji padających fotonów, gdy rozpraszają się one na cząsteczkach – niszcząc ich informacje o kierunku. „W pewnym sensie ta anizotropia optyczna sprawia, że ​​zespół kul rozprasza światło tak, jakby były wykonane z materiału o wyższym współczynniku załamania niż w rzeczywistości” — wyjaśnia Oron.

Bezpieczniejsze białe farby i barwniki spożywcze

Wyniki są dobrym przykładem tego, jak ewolucyjne rozwiązania organizmów, takich jak czystsze krewetki, mogą inspirować zoptymalizowane technologie. Naśladując mechanizm anizotropii optycznej krewetki, zespół Palmera ma nadzieję, że naukowcy w przyszłych badaniach będą mogli zaprojektować zaawansowane, ultrabiałe nanostruktury organiczne, które będą bezpieczne do stosowania w produktach takich jak farby i barwniki spożywcze.

Naukowcy identyfikują gen odpowiedzialny za olśniewające kolory strukturalne motyla

„Mówiąc bardziej ogólnie, odkrycia wskazują na rolę, jaką silna anizotropia optyczna może odgrywać jako parametr projektowy w konstrukcji sztucznych urządzeń optycznych, pod warunkiem, że uda nam się opanować wzrost podobnych układów krystalicznych odpowiednich cząsteczek organicznych” – podsumowuje Oron.

Badania opisano w Nature Photonics.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Kupuj i sprzedawaj akcje spółek PRE-IPO z PREIPO®. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/mystery-of-bright-white-shrimp-solved/