От живой природы к творениям рук человеческих
В заключение стоит отметить, что природная иридесценция служит источником вдохновения для специалистов в области материалов, а также компонентов различных электронных устройств. На самом деле существует целый раздел технологии, опирающийся на имитацию природных явлений (иридесценция — лишь один из множества возможных примеров) при создании приборов и искусственных материалов. Он называется бионикой или биомиметикой.
Принцип иридесценции используется при создании цветных голограмм, которые наклеивают на товары с целью защиты от подделок, а также декоративных материалов вроде переливающихся тканей или искусственного перламутра, красок для автомобилей и лаков для ногтей и тому подобного. Искусственные фотонные кристаллы с переменной конфигурацией решетки используют в некоторых специальных типах сенсоров, индикаторов и переключателей, способных реагировать на изменения температуры, влажности, кислотности, электрические или магнитные поля.
В 2014 году было предложено индикаторное колориметрическое устройство, которое реагирует изменением цвета в зависимости от присутствия в среде летучих органических веществ (например, метанола или изопропилового спирта), или даже инфекционных частиц (J.-W. Oh et al., 2014. Biomimetic virus-based colourimetric sensors). Светоотражающий элемент этого устройства представлен волокнистым материалом, образованным из особым образом видоизмененных частиц фага M13 (фаги — это вирусы бактерий). Волокна полученного материала уплотняются или, наоборот, «разбухают» при контакте со специфическими молекулами благодаря особенностям белка вирусной оболочки — капсида. Изменение конфигурации решетки материала, вызванное этими переходами, приводит к изменению цвета индикатора. Индикатор содержит полоску с четырьмя сегментами, отличающимися исходной структурой материала, и каждый сегмент реагирует определенным образом на водяной пар или конкретные органические соединения. Чтобы провести необходимый анализ, требуется сфотографировать индикатор обычной камерой (например, на смартфон), а затем считать полученный спектр специально разработанной программой для обработки изображений. Авторы назвали свое изобретение «фаговым лакмусом». А в качестве прототипа-вдохновителя исследователи указывают... индюка, цвет кожи на шее которого служит «лакмусом» его настроения и меняется благодаря изменениям плотности расположения волокон коллагена при расширении или сужении сосудов кожи (рис. 11).
|
|
|
Рис. 11. Разработка «фагового лакмуса». А — индюк, вдохновитель изобретения. Его кожа красная, когда птица возбуждена, а когда успокаивается, синеет, благодаря формированию компактной укладки волокон коллагена, создающих эффект иридесценции. Б — схема работы индикатора, построенного из волокон на основе фаговых частиц. В — изменения цвета «фагового лакмуса» в присутствии паров различных веществ. Иллюстрация из статьи J.-W. Oh et al., 2014. Biomimetic virus-based colourimetric sensors
|
|
|
В том же 2014 году, вдохновившись жуком-геркулесом (см. выше, рис. 7), другая команда исследователей (L. Bai et al., 2014. Bio-Inspired Vapor-Responsive Colloidal Photonic Crystal Patterns by Inkjet Printing) изобрела специальные чернила для печати, меняющие цвет при воздействии паров этилового спирта, предлагая использовать их, например, для маркировки продукции в целях защиты от подделок (рис. 12).
Рис. 12. Печать с использованием чернил, меняющих цвет под действием паров этанола. Рисунок из статьи L. Bai et al., 2014. Bio-Inspired Vapor-Responsive Colloidal Photonic Crystal Patterns by Inkjet Printing
В 2017 году была изобретена пленка с нанопокрытием из силиконовых частичек, которая работает как индикатор влажности, причем авторы экспериментально показали, что индикатор продолжал эффективно работать после 250 циклов увлажнения и высушивания (H. Seo and S.-Y. Lee, 2017. Bio-inspired colorimetric film based on hygroscopic coloration of longhorn beetles (Tmesisternus isabellae)). На этот раз источником вдохновения стал жук Tmesisternus isabellae, чьи надкрылья при изменениях влажности меняют цвет от металлического зеленого до металлического красного (принцип в этом случае тот же, что у жука-геркулеса).
|
|
|
Некоторые технические решения, основанные на принципах иридесценции, находятся в состоянии разработки или еще ждут своего изобретателя. С использованием этого явления потенциально могут быть созданы дисплеи с новым принципом цветопередачи, материалы-хамелеоны, которые бы меняли цвет в зависимости от параметров окружающей среды, многоразовая бумага без электронных микросхем, записи на которой можно было бы стирать и наносить вновь, и многое другое. В библиотеках современной научной литературы как биологического, так и технического профиля, можно найти еще немало работ с конкретными разработками или обзорами в русле использования необычных свойств иридесцирующих структур, обнаруживаемых в живой природе.
Литература:
1. Е. К. Герман. «Структурная окраска», «Химия и жизнь» №11, 2010.
2. T. Lu, W. Peng, S. Zhu, and D. Zhang. Bio-inspired fabrication of stimuli-responsive photonic crystals with hierarchical structures and their applications // Nanotechnology. 2016. V. 27. No. 12. P. 122001.
3. A. E. Seago, P. Brady, J.-P. Vigneron, and T. D. Schultz. Gold bugs and beyond: a review of iridescence and structural colour mechanisms in beetles (Coleoptera) // J. R. Soc. Interface. Apr. 2009. V. 6. Suppl 2. P. S165–S184.
|
|
|
4. H. M. Whitney, A. Reed, S. A. Rands, L. Chittka, and B. J. Glover. Flower Iridescence Increases Object Detection in the Insect Visual System without Compromising Object Identity // Curr . Biol. Mar. 2016. Vol. 26. No. 6. P. 802–808.
5. B. J. Glover and H. M. Whitney. Structural colour and iridescence in plants: the poorly studied relations of pigment colour // Ann. Bot. Apr. 2010. V. 105. No. 4. P. 505–511.
6. M. Jacobs, M. Lopez-Garcia, O.-P. Phrathep, T. Lawson, R. Oulton, and H. M. Whitney. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency // Nat. Plants. Oct. 2016. V. 2. No. 11. P. 16162.
7. A. L. Holt, S. Vahidinia, Y. L. Gagnon, D. E. Morse, and A. M. Sweeney. Photosymbiotic giant clams are transformers of solar flux // J. R. Soc. Interface. Dec. 2014. V. 11. No. 101.
8. M. Rassart, J.-F. Colomer, T. Tabarrant, and J. P. Vigneron. Diffractive hygrochromic effect in the cuticle of the hercules beetle Dynastes hercules // New J. Phys. 2008. V. 10. No. 3. P. 033014.
9. J. P. Vigneron et al. Switchable reflector in the Panamanian tortoise beetle Charidotella egregia (Chrysomelidae: Cassidinae) // Phys. Rev. E Stat. Nonlin. Soft Matter Phys. Sep. 2007. V. 76. No. 3 Pt 1. P. 031907.
10. H. Fudouzi. Tunable structural color in organisms and photonic materials for design of bioinspired materials // Sci. Technol. Adv. Mater. Dec. 2011. V. 12. No. 6.
11. J. Teyssier, S. V. Saenko, D. van der Marel, and M. C. Milinkovitch. Photonic crystals cause active colour change in chameleons // Nat. Commun. Mar. 2015. V. 6. Article number: 6368.
12. D. G. DeMartini, A. Ghoshal, E. Pandolfi, A. T. Weaver, M. Baum, and D. E. Morse. Dynamic biophotonics: female squid exhibit sexually dimorphic tunable leucophores and iridocytes // J. Exp. Biol . Oct. 2013. V. 216. No. 19. P. 3733–3741.
13. A. C. N. Kingston, T. J. Wardill, R. T. Hanlon, and T. W. Cronin. An Unexpected Diversity of Photoreceptor Classes in the Longfin Squid, Doryteuthis pealeii // PLOS ONE. Sep. 2015. V. 10. No. 9. P. e0135381.
14. A. Kasai and N. Oshima. Light-sensitive Motile Iridophores and Visual Pigments in the Neon Tetra, Paracheirodon innesi // Zoolog . Sci. Sep. 2006. V. 23. No. 9. P. 815–819.
15. J.-W. Oh et al. Biomimetic virus-based colourimetric sensors // Nat. Commun. Jan. 2014. V. 5. P. ncomms4043.
16. L. Bai et al. Bio-Inspired Vapor-Responsive Colloidal Photonic Crystal Patterns by Inkjet Printing // ACS Nano. Nov. 2014. V. 8. No. 11. P. 11094–11100.
17. H. Seo and S.-Y. Lee. Bio-inspired colorimetric film based on hygroscopic coloration of longhorn beetles (Tmesisternus isabellae) // Sci. Rep . Mar. 2017. V. 7. Article number: 44927.
Татьяна Романовская
Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 241; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!