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Cristallo fotonico della natura
I ricercatori hanno scoperto una specie di coleottero brasiliano che ha l'insolita caratteristica di riflettere il verde iridescente da quasi tutte le angolazioni. Esaminando la struttura delle scaglie del coleottero, gli scienziati dell'Università dello Utah hanno trovato una struttura di cristallo fotonico ideale per la luce visibile, un tipo di materiale che gli scienziati ottici stanno cercando da anni.
Diamanti grezzi: Lo scarabeo brasiliano lungo un pollice Lamprocyphus augustus (in alto) ha scaglie che contengono cristalli fotonici, che conferiscono all'insetto il suo unico luccichio verde. Nell'immagine in basso le singole squame sullo scarabeo riflettono il verde iridescente, a causa di strutture microscopiche simili a diamanti.
Le strutture periodiche tridimensionali chiamate cristalli fotonici sono materiali potenzialmente preziosi per il controllo dei fotoni; gli scienziati potrebbero utilizzare cristalli fotonici operanti a lunghezze d'onda visibili per sviluppare celle solari, telecomunicazioni, sensori e persino chip per computer ottici più efficienti. Una struttura a base di diamante, in particolare, è ritenuta il cristallo fotonico tridimensionale più efficace per la luce visibile, perché può riflettere un'ampia banda di colori e ha un'elevata riflettività. Meno luce che fuoriesce significa che i ricercatori possono controllare e manipolare meglio i fotoni.
I cristalli fotonici che controllano la luce visibile sono stati difficili per gli scienziati da fabbricare con materiali appropriati, a causa di quanto piccola deve essere la periodicità nella struttura per manipolare lunghezze d'onda così corte. Sono stati creati cristalli fotonici mono e bidimensionali per la luce visibile, nonché una struttura a diamante tridimensionale per le lunghezze d'onda più lunghe dell'infrarosso. Non è stata ancora realizzata una struttura a diamante in grado di riflettere la luce visibile su tutti gli angoli per tutte le polarizzazioni. Ma studiare le scaglie di questo coleottero può fornire nuove intuizioni su come costruire un tale cristallo fotonico tridimensionale per la luce visibile.
Michele Bartolo , un professore dell'Università dello Utah, lo studente laureato Jeremy Galusha, e i loro colleghi hanno usato una tecnica di affettatura molto sottile per scoprire e modellare le scale del Lamprocyphus augustus . All'interno di ogni scala, che è larga circa 100 micrometri e spessa da 15 a 20 micrometri, c'è una struttura fotonica tridimensionale. La struttura ricorda il modo in cui gli atomi di carbonio si dispongono in un diamante ed è costituita da un reticolo cristallino con una struttura di unità periodiche ripetitive di circa 300 nanometri, afferma Bartl. All'interno di una scala, il reticolo del diamante è posizionato con orientamenti diversi, conferendo allo scarabeo la sua lucentezza verde da quasi tutte le angolazioni.
I cristalli fotonici con struttura a diamante sono tra i più difficili da fabbricare, afferma il professore della Georgia Tech Zhong Lin Wang . Usando la biologia come modello, questo documento mostra la possibilità di fabbricare cristalli fotonici di diamante artificiali con prestazioni ottiche ben progettate, dice.
Le squame stesse del coleottero non possono essere utilizzate per alcuna applicazione pratica, perché il materiale chitina è troppo fragile e non conduttivo. Il gruppo sta modellando le scaglie dello scarabeo da un semiconduttore. Stiamo facendo buoni progressi, afferma Bartl. Oltre a utilizzare la struttura dello scarabeo come stampo, lui e i suoi colleghi stanno anche studiando come lo scarabeo fabbrica la struttura, nella speranza di imitare il processo per creare strutture fotoniche di diamante artificiale.
Le applicazioni che utilizzano i cristalli fotonici sono state più o meno limitate allo spettro del vicino infrarosso, afferma Ayman Abouraddy, ricercatore al MIT. Sappiamo già [che la struttura a diamante] sarà utile; semplicemente non sappiamo come farlo in modo efficiente. Il fatto che un coleottero, con un approccio di sintesi chimica sporco e sporco, sia in grado di creare una struttura abbastanza pulita come questa è sorprendente.