Тайна ярко-белых креветок разгадана

Исследователи в Израиле обнаружили уникальную оптическую наноструктуру, которая придает морскому падальщику блестящую белую окраску. Используя ряд методов визуализации, группа под руководством Бенджамина Палмера из Университета Бен-Гуриона в Негеве, Израиль, показала, что сферические частицы в тихоокеанских креветках-чистильщиках рассеивают падающий свет во всех направлениях, избегая при этом какого-либо перекрытия в создаваемых ими картинах рассеяния. Открытие может привести к созданию новых белых пигментов, вдохновленных биотехнологиями.

Многие организмы развили способность манипулировать светом уникальными и увлекательными способами. Имитация этих механизмов привела исследователей к новым конструкциям нескольких оптических устройств, включая линзы и зеркала. Такие структуры, как крылья бабочки и птичьи перья, также вдохновили на создание новых покрытий, которые создают яркие цвета благодаря свету, рассеиваемому их наноструктурами.

Однако до сих пор оказалось, что один цвет особенно сложно получить с помощью этих структурных средств, то есть без использования химических пигментов. «Одной из самых интригующих проблем является поиск альтернатив неорганическим материалам, которые придают белым краскам и пищевым красителям их беловатые оттенки», — объясняет член группы Дэн Орон из Института науки Вейцмана. «Это связано с тем, что неорганический материал, наиболее часто используемый в этих продуктах, — нанокристаллический диоксид титана — подозревается как вредный».

Преодоление оптической скученности

Суть проблемы в том, что для создания белых оттенков фотоны всех оптических длин волн должны рассеиваться несколько раз, так что они полностью теряют информацию о направлении. Чтобы это произошло, наноструктуры, отвечающие за рассеяние, должны быть очень плотно упакованы. Такая плотная упаковка, однако, создает проблему «оптической скученности», когда картины рассеяния перекрываются, что снижает общую отражательную способность рассеивающей структуры.

Несмотря на эти проблемы, одно животное доказало, что сложности оптической скученности не являются непреодолимыми. Тихоокеанская креветка-чистильщик, населяющая коралловые рифы в тропиках, легко узнаваема по поразительной белой окраске ее усиков, кутикулы, хвоста и челюсти, которые отражают до 80% падающего света.

Усовершенствованная визуализация и моделирование

В своем исследовании Палмер и его коллеги сосредоточились на наноструктурах в хроматофорных клетках креветок-чистильщиков, которые, как известно, отвечают за их блестящий белый оттенок. Используя комбинацию криоэлектронной микроскопии и оптической визуализации, они охарактеризовали структуру, организацию и оптические свойства сферических частиц, образующих рассеивающий слой внутри клеток. Они также использовали численное моделирование распространения электромагнитного поля, чтобы понять оптический отклик рассеивающей среды в целом.

Анализ группы показал, что эти частицы рассеивают свет во многих направлениях благодаря уникальной структуре и расположению плоских молекул, составляющих их строительные блоки. «Частицы представляют собой жидкокристаллические структуры этих плоских молекул», — объясняет Орон. «Все эти молекулы расположены так, что их плоская сторона перпендикулярна радиусу сферы».

В целом, эта структура значительно уменьшает количество материала, необходимого для того, чтобы усики и полосы креветок выглядели белыми. Это позволяет хроматофорным клеткам креветок-чистильщиков устранять эффекты оптического скопления, а также искажать поляризацию падающих фотонов, когда они рассеиваются от частиц, разрушая их информацию о направлении. «В некотором смысле эта оптическая анизотропия заставляет ансамбль сфер рассеивать свет, как если бы они были сделаны из материала с более высоким показателем преломления, чем они есть на самом деле», — объясняет Орон.

Более безопасные белые краски и пищевые красители

Результаты являются хорошим примером того, как эволюционные решения таких организмов, как креветки-чистильщики, могут вдохновлять на создание оптимизированных технологий. Имитируя механизм оптической анизотропии креветок, команда Палмера надеется, что исследователи в будущих исследованиях смогут разработать усовершенствованные ультрабелые органические наноструктуры, безопасные для использования в таких продуктах, как краска и пищевые красители.

Ученые идентифицировали ген, отвечающий за ослепительную окраску бабочек

«В более общем плане результаты указывают на роль, которую сильная оптическая анизотропия может играть в качестве конструктивного параметра в конструкции искусственных оптических устройств, при условии, что мы сможем справиться с выращиванием подобных кристаллических структур из правильных органических молекул», — заключает Орон.

Исследование описано в Nature Photonics.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/mystery-of-bright-white-shrimp-solved/