亮白虾之谜解开 – 物理世界

以色列的研究人员发现了一种独特的光学纳米结构，这种结构赋予远洋食腐动物亮白色。 以色列内盖夫本古里安大学的本杰明帕尔默领导的团队使用一系列成像技术表明，太平洋清洁虾中的球形颗粒向各个方向散射入射光，同时避免它们产生的散射模式发生任何重叠。 这一发现可能会产生新的受生物启发的白色颜料。

许多生物已经进化出以独特而迷人的方式操纵光的能力。 模仿这些机制导致研究人员对几种光学设备进行了新设计，包括透镜和反射镜。 蝴蝶翅膀和鸟类羽毛等结构同样激发了新涂层的灵感，这些涂层通过纳米结构散射的光产生鲜艳的色彩。

然而，到目前为止，事实证明，通过这些结构方式生产一种颜色特别具有挑战性——也就是说，不依赖化学颜料。 “最有趣的问题之一是寻找无机材料的替代品，这些无机材料赋予白色油漆和食用色素以白色色调，”魏茨曼科学研究所的团队成员 Dan Oron 解释道。 “这是因为这些产品中最常用的无机材料——纳米二氧化钛——被怀疑是有害的。”

克服光学拥挤

问题的关键在于，要产生白色色调，所有光波长的光子都需要多次散射，这样它们就会完全失去方向信息。 为此，负责散射的纳米结构需要非常紧密地堆积。 然而，如此紧密的堆积会产生“光学拥挤”问题，即散射图案重叠——降低散射结构的整体反射率。

尽管存在这些挑战，但一只动物已经证明光学拥挤的复杂性并非不可克服。 太平洋清洁虾栖息在热带地区的珊瑚礁中，其触角、角质层、尾巴和下巴呈醒目的白色，可反射高达 80% 的入射光，因此很容易辨认出来。

先进的成像和模拟

在他们的研究中，Palmer 和他的同事专注于清洁虾的色素细胞中的纳米结构，众所周知，这些细胞是造成它们明亮的白色色调的原因。 他们结合使用冷冻电子显微镜和光学成像，对在细胞内形成散射层的球形颗粒的结构、组织和光学特性进行了表征。 他们还使用电磁场传播的数值模拟来了解整个散射介质的光学响应。

该团队的分析表明，由于构成其构建块的扁平分子的独特结构和排列，这些粒子向多个方向散射光。 “这些粒子是这些平面分子的液晶排列，”奥伦解释道。 “所有这些分子的排列使得它们的平面垂直于球体的半径。”

总之，这种结构显着减少了使虾的触角和带子呈现白色所需的材料量。 这使得清洁虾的色素细胞能够消除光学拥挤的影响，同时在入射光子从颗粒散射时扰乱它们的偏振——破坏它们的方向信息。 “从某种意义上说，这种光学各向异性使球体的整体散射光，就好像它们是由折射率比实际折射率更高的材料制成的，”奥伦解释道。

更安全的白色涂料和食用色素

结果是一个很好的例子，说明像清洁虾这样的生物体的进化解决方案如何激发优化技术。 通过模仿虾的光学各向异性机制，Palmer 的团队希望研究人员在未来的研究中能够设计出先进的超白有机纳米结构，这些纳米结构可安全用于油漆和食用色素等产品。

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“更一般地说，这些发现指出了强光学各向异性可以作为人造光学设备构造中的设计参数的作用，前提是我们能够掌握正确有机分子的类似晶体排列的生长，”Oron 总结道。

该研究描述于 自然光子学“.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/mystery-of-bright-white-shrimp-solved/