공작, 팬더 카멜레온, 스칼렛 마코 톱, 광대 물고기, 투약, 푸른 링 낙지 등 :동물 왕국은 엄청나게 다채로운 아름다움을 가진 수많은 데니즈를 가지고 있습니다. 그러나 많은 경우 과학자들은 동물이 어떻게 자신의 색을 사용하는지보다 색상을 사용하는 방법에 대해 훨씬 더 많이 알고 있습니다. 새로운 작품은 계속해서 이러한 비밀을 계속 밝히고 있습니다.이 비밀은 종종 깃털, 비늘, 모발 및 피부에 미미한 특징의 환상적인 정확한 자기 조립에 의존하는 비밀을 계속 드러냅니다. 포토닉스 산업의 소프트 물리학 자 및 엔지니어에게 답을 강하게 흥미롭게 만드는 사실
.자연에서 볼 수있는 많은 색상, 특히 식물 왕국에서 보이는 색상은 안료에 의해 생성되며, 이는 나머지를 흡수하면서 빛 스펙트럼의 일부를 반영합니다. 엽록소와 같은 녹색 안료는 스펙트럼의 녹색 부분을 반영하지만 더 긴 빨간색 및 노란색 파장뿐만 아니라 짧은 파란색 파장을 흡수합니다. 어떤 특정 파장이 반사되거나 흡수되는지는 안료의 분자 구성과 분자 구조의 원자 사이의 정확한 거리에 달려 있습니다.
식물은 생화학 적 합성의 마스터이기 때문에, 그들의 세포는 많은 유형의 안료를 조화시킬 수 있지만, 동물은 대부분을 만들기 위해 대사 경로를 잃었습니다. 동물의 우세한 안료 인 멜라닌은 갈색 (eumelanin) 또는 붉은 색 (Pheomelanin) - 다소 제한된 팔레트입니다. 동물을 꾸미고 위장하고 동료를 구애하고 포식자를 막기 위해 필요한 풍부한 색상의 무지개를 만들기 위해 동물은 종종식이 요법에서 필요한 안료를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 새의 밝은 붉은 색과 노란색은 대부분 음식의 카로티노이드 안료에서 나옵니다.
그러나 스펙트럼의 파란색 끝은 자연에서 먹을 수있는 푸른 색소가 거의 없기 때문에 다른 도전을 나타냅니다. 그러나 Blue Jays, Neon Tetras, Poison Dart Frogs 및 다른 많은 동물들은 안료에 의존하지 않는 솔루션을 발견하여 광학 트릭을 발전시켜 블루스 (및 일부 녹색)를 다른 방식으로 만들었습니다. 그들은 구조적 색상을 만듭니다.
구조 색상은 일부 파장 만 통과 할 수있는 필터처럼 작용합니다. 그들의 특정 광자 메커니즘은 종마다 다르지만, 재료의 나노 미터 규모 구조는 빛의 파장과 비슷하기 때문에 작동합니다. 구조는 빛의 색상을 다르게 회절하고 간섭 효과를 설정합니다.
Yale University의 조류 날개 색소에 관한 전문가 인 Richard Prum은“빛을 산란시키는 여러 작은 구조물을 가지고있는 다음 흩어져있는 파도가 상호 작용하는 것입니다. 그 상호 작용은 일부 색상을 강화하고 다른 색을 제거 할 것입니다.
채색에 대한 이러한 구조적 접근 방식은 적응성의 이점이 있습니다.“매사추세츠 기술 연구소에서 생물학적으로 영감을 준 광학 재료를 연구하는 Mathias Kolle은 설명합니다.
구조적 색상은 종종 무지개 빛깔의 시각적 매력을 가지고 있습니다. 구조 색상 층의 상단에서 반사하는 빛은 바닥에서 빛이 반사되면 위상을 벗어날 수 있기 때문에 다른 각도에서 볼 때 색상이 색조가 밝아 지거나 이동하는 것처럼 보일 수 있습니다. 예를 들어, 그 효과는 Morpho 나비의 밝은 파란색에서 눈에 띄고 있습니다. Morpho Butterfly Wing의 비늘은 가벼운 파도를 회절하고 반사하는 트리형 돌출부가 늘어선 미세한 그루브로 조각되어 무지개 빛깔의 파란색을 생성하는 방식으로 서로를 방해합니다.
.2015 년 연구에서 Kolle과 그의 동료들은 Blue Rayed Limpet 인 Mollusk가 껍질에 독특한 밝은 파란색 줄무늬를 어떻게 생성하는지에 대한 발견을보고했습니다. 쉘에서 투명한 칼슘 탄산염 결정의 층은 다중 현미경 시트로 배열되며, 각 층은 회절하고 빛의 은색을 반사한다. 회절 된 광파는 서로 상호 작용합니다. 각 층의 두께와 빛의 파장에 따라 파도가 추가되거나 취소됩니다. 층의 두께를 올바르게 (100 나노 미터) 얻음으로써 림펫은 파란색 파장을 제외한 모든 파장을 서로 취소합니다.
다른 동물들은 구조적 색상으로 비슷한 현상을 이용합니다. 예를 들어, 낙지와 다른 두족류의 색상 변화에 대한 한 가지 요령은 피부의 크로마토 포어 세포 중 일부가 반사 핀이라는 단백질 층을 함유하여 순서대로에서 무질서한 상태로 빠르게 이동할 수 있다는 것입니다. 동물은 이러한 층을 두껍게하고 얇게함으로써 다른 파장을 반사하고 세상을 보여주는 색상을 변경할 수 있습니다.
그러나 문어와는 달리, 림펫은 층이 배치 된 후에 층의 모양을 바꿀 수 없습니다. 림펫이 그러한 정밀한 구조를 구축하는 방법은 미스터리입니다. Kolle은“그 뒤에있는 재료 과학 역학은 마음에 들지 않습니다. 그러나 Prum의 작업, 싱가포르 국립 대학교의 Yale-Nus College의 Vinod Saranathan과 최근 몇 년 동안 일부 조류가 화려한 파란색 깃털 뒤에 구조적 색상을 생성하는 방법을 이해하는 데 진전을 보였습니다.
높은 배율에서, 깃털의 유색 바브 (필라멘트)는 거품 구조를 가지고 있으며, 베타-케라틴 단백질에 매달린 작고 균일 한 공기 구의 구체가 있습니다. 각 기포선에서 흩어져있는 빛은 이웃 거품에서 튀는 빛과 상호 작용합니다. Prum은“이를 수행하기에 적합한 크기이기 때문에 파란색 또는 청록색 또는 자외선을 만듭니다.
연구에 따르면 발달중인 조류 깃털의 세포 내부에서 베타-케라틴은 물 세포질에 분포되어 시작됩니다. 세포의 화학적 변화는 베타-케라틴과 물이 자발적으로 분리되어 중합 된 단백질의 매트릭스 내에 구형 물방울을 생성합니다. 세포가 죽은 후, 물이 증발하고 공간이 공기로 채워져 오른쪽 파장에서 빛을 반영하는 기포의 소형 공 구덩이를 남겨 둡니다.
Prum은 맥주 한 병을 여는 과정을 비유합니다. "갑자기 당신은 응축을 얻습니다. 용해 된 이산화탄소는 거품을 형성하고 거품은 특정 크기로 자라서 떠 다니게됩니다." "이 물건은 맥주의 머리처럼 보입니다."
푸른 제이와 대부분의 다른 새들의 푸른 깃털 에서이 거품은 무질서합니다. 그러나 동남아시아의 푸른 날개 달린 잎 버드 인 적어도 한 종의 종은 사라 나나, 프럼 (Prum)과 그 동료들이 국립 과학 아카데미 의 절차에서보고 한 것처럼, 완벽하게 주문 된 거품 결정에서 어깨 깃털의 반짝이는 푸른 색을 얻는다. 6 월 8 일. 연구원들은 잎사귀 깃털을 Argonne National Laboratory의 강력한 X- 선 빔라인 아래에 놓았을 때 이러한 자극수 결정을 발견했습니다.
.주기적인 구조를 형성하는 연속 최소 표면 인 gyroid는 어떤 의미에서 구의 반대입니다. 구의 균일 한 양의 곡률을 가지고 있지만, gyroid는 균일 한 음의 곡률을 가진 안장 모양의 물체입니다. 특별한 특징 중 하나는 공간을 두 개의 미로로 분리하여 멤브레인으로 분리되어 서로를 완벽하게 반영한다는 것입니다. 두 터널 세트가 살아있는 셀 내부에 유체로 채워질 때, 구조는 이중 곤동자로 알려져 있습니다. 하나의 터널 세트 만 채워지면 구조는 단일 곤동자입니다.
Leafbird의 단일 자극수 결정은 림펫 층과 동일한 광학 특성을 나타냅니다. 스위스 프라이버에있는 Adolphe Merkle Institute의 소프트 물리적 물리학자인 Bodo Wilts는“국소 적으로 주기적으로 굴절 지수를 변화시켰다”고 설명했다.
2010 년 Saranathan, Prum 및 동료들에 의해보고 된 바와 같이, 단일 자량종은 이전에 일부 나비 척도에서만 나타났습니다. 호주의 Murdoch University에서 생물 포 토닉 재료를 연구하는 Gerd Schröder-Turk와 그의 동료들은 이러한 척도가 발달 할 때 스케일 세포의 소포체 망상 막이 양쪽에 유체가있는 시트를 형성하여 이중 성전질을 만듭니다. 그런 다음 터널 중 하나는 키틴으로 채우고 응고합니다. 세포가 죽을 때, 그들은 단일 자극종 뒤에 남겨 둡니다.
연구원들은이 성형 또는 템플릿 프로세스가 단일 자량종이 본질적으로 형성 될 수있는 유일한 방법이라고 생각했습니다. 대신, 증거는 잎사귀가 푸른 제이가 상대적으로 친밀한 블루 제이가 위상 분리에 의해 무질서한 볼 구덩이를 만드는 것과 같은 방식으로 만들어줍니다. Soft Matter Physics, Saranathan 및 Prum Say의 기존 이론을 기반으로 예측할 수없는 것입니다.
이 발견은 이와 같은 결정이 자체 조립 될 수 있음을 시사합니다. 이는 엔지니어들에게 광 응용을위한 재료를 만드는 더 나은 방법을 찾는 데 고무적이라고 제안합니다. 예를 들어, 블루 라이트를보다 효율적으로 전송하기 위해, 광섬유 케이블에는 잎 버드에서 발견되는 청색 반사 재료가 늘어서 있으므로 파란색 광자가 탈출 할 수 없습니다.
Prum은“정밀 공학으로 힘들게 만들어진 모든 광섬유는 자체 조립에 의해 조류가이를 수행한다”고 말했다. 자체 조립 광자 장치를 성장시키는 방법을 배우는 것은“실제 비용 절감이 될 것입니다.”
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Kolle은 동의합니다. 작년 자연 광자 , 그와 그의 팀은 papilio 의 날개 스케일에서 영감을 얻은 재료를 사용하는 개선 된 다크 필드 이미징 현미경 방법을 설명했습니다. 나비. 이제 그는 학생과 협력하여 페인트 레이디 나비의 날개 비늘에서 나노 스케일 그루브가 어떻게 조각되는지 관찰하고 있습니다. 이 종의 과정을 이해하면 대부분의 나비에서 기본 스케일 아키텍처가 어떻게 발전하는지 잠금을 해제해야합니다.“생체 역학적 원칙이 있기를 바랍니다. 우리는 완전히 다른 재료 시스템에서 이러한 재료를 만들기 위해 적용 할 수 있습니다.”
