Razrešena skrivnost svetlo belih kozic – svet fizike

Raziskovalci v Izraelu so odkrili edinstveno optično nanostrukturo, ki daje oceanskemu mrhovinarju briljantno belo barvo. Z vrsto slikovnih tehnik je ekipa, ki jo vodi Benjamin Palmer na Univerzi Ben-Gurion v Negevu v Izraelu, pokazala, da sferični delci v pacifiških čistilnih kozicah razpršijo prihajajočo svetlobo v vse smeri, pri čemer se izogibajo kakršnemu koli prekrivanju v vzorcih razprševanja, ki jih proizvajajo. Odkritje bi lahko vodilo do novih bioloških belih pigmentov.

Mnogi organizmi so razvili sposobnost manipuliranja s svetlobo na edinstvene in fascinantne načine. Posnemanje teh mehanizmov je vodilo raziskovalce do novih modelov za več optičnih naprav, vključno z lečami in ogledali. Strukture, kot so metuljeva krila in ptičje perje, so prav tako navdihnile nove premaze, ki ustvarjajo žive barve s svetlobo, ki jo razpršijo njihove nanostrukture.

Doslej pa se je izkazalo, da je eno barvo posebej zahtevno izdelati s temi strukturnimi sredstvi – to je brez zanašanja na kemične pigmente. "Eden najbolj zanimivih problemov je iskanje alternativ anorganskim materialom, ki dajejo belim barvam in barvilom za živila njihove belkaste odtenke," pojasnjuje član ekipe Dan Oron z Weizmannovega inštituta za znanost. "To je zato, ker je anorganski material, ki se najpogosteje uporablja v teh izdelkih - nanokristalni titanijev oksid - domnevno škodljiv."

Premagovanje optične gneče

Bistvo težave je v tem, da je treba za ustvarjanje belih odtenkov fotone vseh optičnih valovnih dolžin večkrat razpršiti, tako da popolnoma izgubijo informacije o smeri. Da se to zgodi, morajo biti nanostrukture, odgovorne za sipanje, zelo tesno zapakirane. Tako tesno pakiranje pa ustvarja problem "optične gneče", kjer se vzorci razprševanja prekrivajo – kar zmanjšuje celotno odbojnost strukture razprševanja.

Kljub tem izzivom je ena žival dokazala, da zapletenost optične gneče ni nepremostljiva. Pacifiško čistilno kozico, ki naseljuje koralne grebene v tropih, je zlahka prepoznati po osupljivi beli barvi njenih anten, povrhnjice, repa in čeljusti, ki odbijajo do 80 % vhodne svetlobe.

Napredno slikanje in simulacija

V svoji študiji so se Palmer in njegovi sodelavci osredotočili na nanostrukture v celicah kromatoforja čistejših kozic, za katere je znano, da so odgovorne za njihov briljanten bel odtenek. S kombinacijo krioelektronske mikroskopije in optičnega slikanja so opisali strukturo, organizacijo in optične lastnosti sferično oblikovanih delcev, ki tvorijo razpršilno plast znotraj celic. Uporabili so tudi numerične simulacije širjenja elektromagnetnega polja, da bi razumeli optični odziv razpršilnega medija kot celote.

Analiza ekipe je pokazala, da ti delci razpršijo svetlobo v več smereh zahvaljujoč edinstveni strukturi in razporeditvi ploščatih molekul, ki sestavljajo njihove gradnike. "Delci so tekoče kristalne razporeditve teh ravninskih molekul," pojasnjuje Oron. "Vse te molekule so razporejene tako, da je njihova ravna stran pravokotna na polmer krogle."

Skupaj ta struktura bistveno zmanjša količino materiala, ki je potreben, da so antene in pasovi kozic videti beli. To omogoča kromatoforskim celicam čistejših kozic, da odpravijo učinke optične gneče, hkrati pa tudi pomešajo polarizacijo vpadnih fotonov, ko se razpršijo od delcev – uničijo njihove informacije o smeri. "V nekem smislu zaradi te optične anizotropije sklop krogel razprši svetlobo, kot da bi bile narejene iz materiala z višjim lomnim količnikom, kot ga imajo v resnici," pojasnjuje Oron.

Varnejše bele barve in barvila za živila

Rezultati so dober primer, kako lahko evolucijske rešitve organizmov, kot je čistejša kozica, navdihnejo optimizirane tehnologije. S posnemanjem mehanizma kozic za optično anizotropijo Palmerjeva ekipa upa, da bodo raziskovalci v prihodnjih študijah lahko oblikovali napredne, ultrabele organske nanostrukture, ki so varne za uporabo v izdelkih, kot so barve in barvila za živila.

Znanstveniki identificirajo gen, odgovoren za bleščeče strukturne barve metulja

"Na splošno ugotovitve kažejo na vlogo, ki jo lahko močna optična anizotropija prevzame kot oblikovalski parameter pri konstrukciji umetnih optičnih naprav, pod pogojem, da lahko obvladamo rast podobnih kristalnih ureditev pravih organskih molekul," zaključuje Oron.

Raziskava je opisana v Narava fotonika.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• Kupujte in prodajajte delnice podjetij pred IPO s PREIPO®. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/mystery-of-bright-white-shrimp-solved/