رنگ‌های ساختاری در دنیای حشرات نقش مهمی بازی می‌کنند. استتار، دفاع و حتی تولید مثل این موجودات تحت تاثیر این رنگ‌ها می‌باشد. “لامپروسیفوس” گونه‌ای از شپش است که در بال‌های خود ساختارهای فوتونیک کریستالی دارد. این کریستال‌ها ، ساختارهای نانومتری هستند که حرکت امواج نوری را تحت تاثیر قرار داده و با استفاده از آنها می‌توان جریان نور را کنترل و دستکاری کرد. دانشمندان با الهام از این ساختار زیستی؛ درصدد ساخت کریستال‌های فوتونیکی برای کاربردهای جدید در الکترونیک نوری، کاتالیست‌ها، جذب انرژی، مهندسی بافت و … می‌باشند. این مقاله به تشریح مشخصات فوتونیکی پوست شپش برزیلی پرداخته است.
شپش برزیلی لامپروسیفوس و نانوفوتونیک
با آزمایش دقیق رنگ سبز برگ های اسفناج یا رنگ قرمز توت فرنگی، در خواهید یافت که منشاء این رنگ ها، مولکول ها هستند. وقتی با نور سفید روشن می شوند، انتقال های الکترونیکی در این مولکول ها که “پیگمنت” نامیده می شوند، محدوده های دلخواهی از بخش مرئی طیف الکترومغناطیسی را جذب می کند، در حالی که باقی آن را با نفوذ منعکس می کند. نمونه عالی چنین رنگ پیگمنتی مولکول “کلروفیل” است. این مولکول بخش های زیادی از طیف مرئی را در رژیم های قرمز و آبی جذب می کند و طیف سبز را انعکاس می دهد. به همین دلیل رنگ گیاهان سبز است. اما با نگاه دقیق به شپش سبز لامپروسیفوس ائوستوس یا بال های رنگی خیلی از پروانه ها خواهید فهمید که منشاء این نوع رنگ آمیزی ساختارهای بسیار منظم و متناوب در یک، دو یا سه بعد می باشد. بر خلاف پیگمنت ها، رنگ های ساختاری بیش از آن که بر مبنای جذب و انعکاس طیف باشند، بر اساس تفرق و انعکاس آینه ای ایجاد شده اند. بسیاری از تابش های نور به این ساختارهای منظم زیستی متناوب، می تواند بدون تغییر چشم گیر از این ساختارها عبور کند. با وجود این بخش هایی از نور سفید که طول موج آن ها نسبت های خاصی با مقیاس طولی تناوب ساختاری دارند مستقیماً منعکس می شوند و ظاهر رنگی وابسته به جهت را ایجاد می کنند که در بسیاری از حشرات، پرندگان و حیوانات دریایی دیده می شود[1].
نمونه ای از یک کامپوزیت با دوماده یدی الکتریک (هوا و یک ماده دیگر) با تغییرات متناوب ضریب شکست در شکل1نشان داده شده است. موج تابشی مستقیم در هر انتقال، از ضریب شکست کم به زیاد انعکاس خواهد داشت. برای موج هایی با نصف طول دوره شبکه یک بعدی، تمام موج های منعکس شده، هم فاز هستند و یکدیگر را تقویت خواهند کرد. وقتی آن ها با موج رو به جلو تلفیق می شوند نتیجه موج ایستا است، یعنی موجی که با این طول موج به درون این کامپوزیت نفوذ نمی کند و منعکس می شود. در واقع برای این کامپوزیت یک فاصله ممنوعه (خالی) فوتونیکی(موجی) وجود دارد که پهنای آن به تضاد ضریب شکست دو دی الکتریک و عملکرد مکمل آن ها وابسته است[2].
از طرف دیگر برای موج هایی با طول موج های خارج از فاصله ی ممنوعه، موج های منعکس شده هم فاز نیستند و یکدیگر را حذف می کنند و به یک موج نهایی رو به جلو منتهی می شوند که البته شدت آن اندکی کمتر است. این اثر تنها برای یک محدوده ی فرکانس معین نور تابشی عمود بر ساختار متناوب صدق می کند. برای جهت های غیر عمود، طول متناوب تغییر می کند و موج های محدوده ی متفاوتی منعکس می شوند[2].
چنین ساختارهای متناوب یک بعدی مدت ها است که به عنوان اجزای نوری مانند آینه، فیلترها، و مسیرهای نوری استفاده می شوند، اما موارد مشابه دو و سه بعدی آن ها این نوید را می دهد که دریچه هایی را به مفاهیم نوری کاملاً جدید بر پایه ی ساختارهای نواری فوتونیکی باز کند. این ایده از یک کریستال فوتونیک به طور مستقل توسط یابلونوویچ و جان در سال 1987 به ترتیب با هدف کنترل خواص نسبی مواد و تقویت مکان یابی فوتون ها ارائه شد. این ایده بر اساس خلق موادی با یک فاصله ی نواری با جهت مایل بنا گردید. فاصله ی نواری، محدوده ای از فرکانس هامی باشد که در آن ها نفوذ نور به کریستال فوتونیک به طور کلاسیک در هر جهتی ممنوع و ناممکن است.
دورنمای این پیش بینی های موجود، تحقیقات را به سمت ساخت کریستال های فوتونیک سه بعدی با فواصل ممنوعه ای در فرکانس های نوری پیش برد. الزامات عمومی ایجاد یک ساختار تناوبی سه بعدی با ترکیبات دی الکتریک با ضریب شکست های مختلف بود، هر چه تفاوت بیشتر بود فاصله ممنوعه فوتونیکی پهن تر می شد. این شبکه باید در تمام جهت ها رفتار مشابهی نشان می داد. مدل سازی و محاسبات ساختار نوار فوتونیکی نمایانگر این بود که هندسه های شبکه ای الماس گون، ساختارهای برتر این شبکه هستند[1].
با این راهنمایی کریستال های فوتونیک با فواصل ممنوعه ی کامل در نظام های امواج مایکرو و مادون قرمز(نه نوری) با موفقیت توسط تعدادی از رویکردها که از خودآرایی تا لیتوگرافی، تکنیک های نگارش مستقیم، و حتی سوراخ کاری مکانیکی آرایه های حفره ها در بلوک های سرامیکی انجام شده است. اما متاسفانه هنوز محدودیت هایی در توسعه این روش ها در محدوده ی مرئی وجود دارد که به جهت محدودیت های ابعادی روش های الگودهی و نگارش و کمبود ثبات روش های چینش مورد نیاز برای حصول هندسه کریستالی الماس گون با ثابت های شبکه ای در حد چند صد نانومتر است. در نتیجه یک کریستال فوتونیک سه بعدی مصنوعی با فاصله ی ممنوعه کامل دست نایافتنی شناخته شده است[1].
در مقابل قابلیت های محدود ما در مهندسی، کریستال های فوتونیک که در بخش مرئی طیف الکترومغناطیسی عمل می کنند، گونه های زیستی ساختارهای پیچیده ای دارند که به طور موثر با نور مرئی تعامل دارند. حاصل این تعامل ها، زاویه ی گسترده ی دید و انعکاس سطحی کاسته شده، تفرق براگ و پراکنش چندگانه را در برمی گیرد[1].
دو مورد آخر از اهمیت بالاتری در جهان حشرات برخوردار هستند. حشرات اغلب برای دفاع، استتار و تولید مثل به رنگ های ساختاری وابسته اند. ترکیبات متناوب بیوپلیمری وارد شده در بال ها و پوست پروانه ها و حشرات به آن ها ظاهر جذابی داده است که می توانند برای فراری دادن شکارچی ها، پنهان شدن در زاویه های ساده یا جلب توجه جفت از آن استفاده کنند. افزون بر این، ساختارهای فوتونیک در این گونه ها به شکلی هستند که تحت شرایط روشنایی گوناگون، یعنی از نور خیره کننده آفتاب تا پهنه تاریک و کم نور جنگل ها عمل می کنند[1].
این کاربردهای متنوع در تلفیق با زیبایی محض تابش زیستی، و قابلیت این مواد در حفظ جلوه های خود در شرایط محیطی مختلف، زیست شناسان را هم در کنار فیزیکدان ها به وجد آورده و تلاش های زیادی برای رسیدن به اصل ساختاری این آثار رنگی اتخاذ شده است. این تلاش ها منجر به شناسایی تنوع بالای ساختارهای فوتونیکی زیستی: از کامپوزیت های لایه ای چندگانه ی ساده تا شبکه های دو و سه بعدی متناوب با هندسه های مارپیچ، کندویی و مکعبی (و یا تلفیقی از این ها) گردیده است.[1]
بزرگ ترین شگفتی ساختاری از یک نقطه نظر کریستال فوتونیکی در سال 2008 با کشف برترین کریستال فوتونیک شبکه مبتنی بر ساختار الماس گون در شپش برزیلی سبز (ال. ائوگوستوس) بود. شپش های دیگر (ائوفولوس اسکوئن هری، ائودیاگوگوس پولچر، پاچیرهیرنکوس مونیلیفروس) هم در ادامه شناسایی شدند که تغییرات رنگی پوست آبی، سبز و قرمز را با کریستال های فوتونیک شبکه الماس ایجاد می کردند[1].
این ساختارها هندسه شبکه مشابهی دارند که شبیه به ال. ائوگوستوس است اما ثابت شبکه آن ها فرق می کند. باید تاکید شود که این ساختارهای زیستی تنها مثال هایی (تا امروز) از ساختارهای کریستال فوتونیک شبکه الماس با ثابت های شبکه ی قابل قیاس با طول موج هایی داخل محدوده طیف مرئی هستند[1].
ساختارهای کریستال فوتونیک الماس گون درون فلس های کیوتیکل شپش قرار گرفته اند. این فلس ها شکل برگ مانند دارند(حدود 100×50×5تا20 میکرومتر مکعب) و به پوست این سوسک ها متصل شده اند. هر فلس، یک پوسته ی بیرونی جامد دارد که چارچوب داخلی آن از کریستال فوتونیک شبکه الماسی می باشد، هر دو از کیوتیکل حشره، برپایه کیتین تولید شده اند. ساختار دقیق این شبکه ی الماس گون توسط ابزارهای شناسایی ساختاری و نوری مختلف، مورد ارزیابی قرار گرفته و با مدل سازی و محاسبات ساختار نواری فوتونیک تلفیق شده است. نتایج بیان گر این می باشد که یک شبکه متشکل از لایه های ABC پشت سر هم از استوانه های هوای مرتب شده به شکل هگزاگونال تشکیل شده که در ماتریس محاطی از مواد کیوتیکل قرار گرفته است. ضریب شکست کیوتیکل (حدود 1.5) آن قدر نیست که یک فاصله ی نواری فوتونیک کامل را در هر یک از کریستال های فوتونیک شپش شکل دهد. با وجود این، محاسبات نشان می دهد که اگر چارچوب کریستال فوتونیک شپش ال. ائوگوستوس از ماده دی الکتریکی با ضریب شکست حداقل 2.1 ساخته شود یک فاصله ی نواری کامل، اغلب در قسمت سبز طیف نور مرئی باز می شود، که این ساختار زیستی را یک کاندیدای ایده آل برای الگوبرداری زیستی می کند[1].
بعد از کشف کریستال های فوتونیک با هندسه ی شبکه ی الماس مطلوب در فلس های شپش، ساخت اولین فاصله ی نواری کامل در فرکانس های مرئی امکان پذیری واقعی پیدا کرده است. مدل سازی و محاسبات فوتونیکی انجام شده، نانوساختار یافته شده در شپش برزیلی(ال. ائوگوستوس)را معیارطراحی قرار داد؛ در نتیجه خواص هندسی و دی الکتریک لازم برای تحقق ساختاری با فاصله ی نواری کامل در نمونه های کپی شده به دست آمد: (1) یک الگوی مثبت از شبکه کریستال فوتونیک سوسک اصلی؛ (2) ترکیب پایه (ماده ای با ضریب شکست بالا) با ضریب شکست حداقل 2.1 برای باز کردن یک فاصله ی نواری و حداقل 2.3 برای فاصله ی نواری 5 درصد پهن(نسبت فاصله تا فاصله میانی)؛ (3) یک ماده ضریب شکست بالا با کسر حجمی بین 30 درصد تا 40 درصد برای بهینه کردن عرض فاصله ی نواری (4) یک تغییر در شبکه 15 تا 20 درصد ساختار اصلی برای اطمینان از آنکه فاصله ی نواری در فرکانس های مرئی می ماند[1].
با اینکه محاسبات و مدل سازی دستور العمل بسیار روشنی را در نیاز ساختار بهینه برای طراحی فراهم می آورد، اما انتقال این نتایج به فرایندهای الگوبرداری مبتنی بر محلول، خود یک مساله مشکل ساز است. شیمی سل ژل با پارامترهای فرایندی منعطف و متنوعی که دارد یک روش مناسب می باشد. با وجود این لازم است که شرایط پرکردن و فرآیند سل ژل متداول تنظیم و بهینه شود تا همه الزامات هندسی و دی الکتریک برای این الگوها را برآورده کند[1].
اولین خصوصیت پیش بینی شده ایجاد الگویی مثبت از ساختار کریستال فوتونیک اصلی سوسک به یک فرایند دو مرحله ای، الگوبرداری نیاز دارد چون پیش بینی می شود الگوی منفی از این ساختار که می تواند با یک مرحله کپی برداری به دست بیاید در داشتن یک فاصله ی نواری کامل، کم می آورد. یک راه برای رسیدن به این هدف ساختن یک الگوی واسطه منفی از سیلیکا می باشد که به عنوان الگوی فداشونده در کپی برداری دوم استفاده خواهد شد. گالوشا و دیگران بالاترین صحت ساختارهای الگوی منفی را نشان داده اند که با استفاده از یک سل تلفیقی آلی- غیر آلی سیلیکا برای فرآیند پرسازی به دست آمده است. جزء پلیمر افزوده شده انعطاف بالاتری را به چارچوب می دهد و از این رو ترک برداشتن را در مرحله ی خشک کردن کاهش می دهد. با دنبال کردن مرحله سخت سازی چارچوب پایه سیلیکایی این الگوی زیستی با حک توسط مخلوطی از اسیدهای پرکلریک و اسید نیتریک برداشته می شود. این روش به عنوان جایگزین روش برداشت با سوزاندن الگو برای ممانعت از جمع شدگی چارچوب به میزان حداقل 5 درصد(اسید شویی) در مقایسه با 30 درصد (سوزاندن) انتخاب شد[1].
الگوی معکوس پایه سیلیکا انتخاب شده به عنوان تمپلیت جدید(واسطه) استفاده گردید و با یک پیش ماده سل ژل تیتانیای مایع پر شد. تیتانیا عنصر انتخابی برای کریستال های فوتونیکی است که در محدوده ی طیف مرئی عمل می کنند. علت ضریب شکست بالای تیتانیا است که بسته به نوع کریستال و میزان کریستالی بودن ساختار آن در حدود 2.1 تا 2.8 می باشدو این ویژگی را با شفافیت عالی تلفیق کرده است (بنابراین می تواند ویژگی دوم برای ضریب شکست های بالاتر از 2.3را برای جزء دی الکتریک برآورده می کند)[1].
پر کردن محلول پیش ماده با عملیات حرارتی کامپوزیت سیلیکا-تیتانیا تا 500 درجه سانتی گراد دنبال شد تا نانوکریستالی شدن تیتانیا تشدید شود. این سیکل پرکردن حرارت دهی می تواند تکرار شود تا به پرشدگی نهایی تا درصد حجمی مطلوب تیتانیا برسیم(رسیدن به الزام سوم نسبت پرشدگی بین 30 تا 40 درصد) و یک چارچوب فشرده ایجاد کنیم. در گام نهایی فرایند الگوی پایه سیلیکای واسطه با انتخاب از طریق حک اسید هیدروفلوئوریک برداشته شد و الگوی مثبتی از ساختار کریستال فوتونیکی شپش را از جنس تیتانیا به جای گذاشت[1].
بدون توجه به این موضوع که یک فاصله ی نوری کامل شکل بگیرد یا نگیرد، این ساختارهای الگوبرداری شده زیستی به مراتب پربازده تر از کریستال های فوتونیکی که تا به امروز موجود بوده است می باشد و می تواند نور را در فرکانس های مرئی دست کاری کند. این یافته ها ارزیابی عملی برخی از خواص نوری جدید کریستال های فوتونی را با نور مرئی ممکن می سازد[1].
وقتی اولین مطالعات تجربی، الگوبرداری تیتانیا با کریستال فوتونیک شبکه ی الماسی، پتانسیل بالای این ماده ی نوری را نشان داد، این روال تغییر کرد. در این مطالعات خواص تابش خود به خودی منابع نوری نانومتری (نقاط کوانتومی نانوکریستالی)در الگوهای تیتانیا مورد ارزیابی قرار گرفت و نتایج بسیار مطلوبی به دست آمد[1].
در این مقاله نشان داده شد چطور گونه های زیستی ساختارهای فوتونیک را با هم تلفیق کرده اند تا به شکل موثری با نور تعامل یابند. حاصل این تعامل ها میدان های دید زاویه ای بالا، انعکاس سطحی محدودی تفرق براگ، و پراکنش چندگانه می باشد. محققان اکنون در حال تولید الگوهای چنین ساختارهایی هستند تا انرژی را با قابلیت های خاص مانند اجزای برداشت کننده ی انرژی نور و کاتالیست هایی که می توانند برای تولید سوخت خورشیدی استفاده شوند، گردآوری و ذخیره کنند. ساختارهای الگوبرداری شده زیستی و فوتونیک سه بعدی می توانند در کاربردهای جدیدی در الکترونیک نوری، کاتالیست ها، جداسازی، جذب انرژی و مهندسی بافت استفاده شوند و زمینه رشد برای محققانی که به دنبال راه کارهای تکنولوژیکی با استفاده از تکنیک های الگوبرداری زیستی هستند را فراهم کنند.[1]
منابـــع و مراجــــع
۱ – A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291
۲ – L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.
۳ – NatureTech Technology, video, part 1&2&3.
۴ – G. Zuccarello, D. Scribner, R. Sands,L.J. Buckley, Materials for bio-inspired optics, Adv Mater 14 (2002), 1261–1264.
۵ – T.-X. Fan, S.-K. Chow,D. Zhang, Biomorphic min¬eralization: biology to materials, Prog Mater Sci 54 (2009), 542–659.
۶ – R.J. Martín-Palma, C.G. Pantano,A. Lakhtakia, Biomimetization of butterfly wings by the conformal-evaporated-film-by-rotation technique for photonics, ApplPhysLett 93 (2008), 083901.
۷ – J.W. Galusha, L.R. Richey, M.R. Jorgensen, J.S. Gardner,M.H. Bartl, Study of natural photonic crystals in beetle scalestheir con into inorganic struc¬tures via a sol–gel bio-templating route, J Mater Chem 20 (2010), 1277–1284.
۸ – J.W. Galusha, M.R. Jorgensen,M.H. Bartl, Diamond-structured titania photonic band gap crystals bio¬logical templates, Adv Mater 22 (2010), 107–110.
۹ – J.D. Joannopoulos, R.D. Meade,J.N. Winn, Photonic Crystals, Princeton University Press, Princeton, NJ, 1995.
