Таємниця яскраво-білих креветок розгадана – Physics World

Дослідники в Ізраїлі виявили унікальну оптичну наноструктуру, яка надає океанським падальщикам блискучого білого кольору. Використовуючи низку методів візуалізації, команда під керівництвом Бенджаміна Палмера з Університету Бен-Гуріона в Негеві, Ізраїль, показала, що сферичні частинки в тихоокеанських креветках-чистильниках розсіюють вхідне світло в усіх напрямках, уникаючи при цьому будь-якого перекривання моделей розсіювання, які вони створюють. Це відкриття може призвести до створення нових білих пігментів, створених за біотехнологією.

Багато організмів розвинули здатність маніпулювати світлом унікальними та захоплюючими способами. Імітація цих механізмів привела дослідників до нових конструкцій кількох оптичних пристроїв, зокрема лінз і дзеркал. Такі структури, як крила метелика та пташине пір’я, також надихнули на створення нових покриттів, які створюють яскраві кольори завдяки світлу, розсіяному їхніми наноструктурами.

Однак поки що один колір виявився особливо складним для створення за допомогою цих структурних засобів, тобто без використання хімічних пігментів. «Однією з найбільш інтригуючих проблем є пошук альтернатив неорганічним матеріалам, які надають білим фарбам і харчовим барвникам білуватий відтінок», — пояснює член команди Ден Орон з Інституту науки Вейцмана. «Це тому, що неорганічний матеріал, який найчастіше використовується в цих продуктах – нанокристалічний оксид титану – вважається шкідливим».

Подолання оптичної скупченості

Суть проблеми полягає в тому, що для генерування білих відтінків фотони всіх оптичних довжин хвиль потрібно розсіяти кілька разів, щоб вони повністю втратили інформацію про свій напрямок. Щоб це сталося, наноструктури, відповідальні за розсіювання, повинні бути дуже щільно упаковані. Така щільна упаковка, однак, створює проблему «оптичного скупчення», де шаблони розсіювання перекриваються, зменшуючи загальну відбивну здатність розсіюючої структури.

Незважаючи на ці проблеми, одна тварина довела, що складність оптичного скупчення не є нездоланною. Населяючи коралові рифи в тропіках, тихоокеанську креветку-чистильника легко впізнати за вражаючим білим кольором її вусиків, кутикули, хвоста та щелепи, які відбивають до 80% світла, що потрапляє.

Розширені зображення та моделювання

У своєму дослідженні Палмер та його колеги зосередилися на наноструктурах у хроматофорних клітинах чистих креветок, які, як відомо, відповідають за їхній блискучий білий відтінок. Використовуючи комбінацію кріоелектронної мікроскопії та оптичного зображення, вони охарактеризували структуру, організацію та оптичні властивості частинок сферичної форми, які утворюють шар розсіювання в клітинах. Вони також використовували чисельне моделювання поширення електромагнітного поля, щоб зрозуміти оптичний відгук розсіюючого середовища в цілому.

Аналіз команди виявив, що ці частинки розсіюють світло в багатьох напрямках завдяки унікальній структурі та розташуванню плоских молекул, які складають їхні будівельні блоки. «Частинки — це рідкокристалічні структури цих плоских молекул», — пояснює Орон. «Усі ці молекули розташовані так, що їх плоска сторона перпендикулярна радіусу сфери».

Загалом ця структура значно зменшує кількість матеріалу, необхідного для того, щоб вусики та смуги креветок виглядали білими. Це дозволяє хроматофорним клітинам чистішої креветки усувати вплив оптичного скупчення, а також сповільнювати поляризацію падаючих фотонів, коли вони розсіюються від частинок, руйнуючи інформацію про їх напрямок. «У певному сенсі ця оптична анізотропія змушує ансамбль сфер розсіювати світло так, ніби вони зроблені з матеріалу з вищим показником заломлення, ніж насправді», — пояснює Орон.

Більш безпечні білі фарби та харчові барвники

Результати є хорошим прикладом того, як еволюційні рішення щодо організмів, таких як чисті креветки, можуть надихнути на оптимізовані технології. Імітуючи механізм оптичної анізотропії креветок, команда Палмера сподівається, що дослідники в майбутніх дослідженнях зможуть розробити передові ультрабілі органічні наноструктури, безпечні для використання в таких продуктах, як фарба та харчові барвники.

Вчені ідентифікували ген, відповідальний за сліпуче структурне забарвлення метелика

«У більш загальному плані результати вказують на роль, яку сильна оптична анізотропія може відігравати в якості параметра дизайну при створенні штучних оптичних пристроїв, за умови, що ми можемо керувати ростом подібних кристалічних структур правильних органічних молекул», — підсумовує Орон.

Дослідження описано в Природа Фотоніка.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/mystery-of-bright-white-shrimp-solved/