Фотонні кристали
“Господи, пані Ілюзія, ми тільки з інтерференцією розбіралися, а ви тут несетеся далі“, - скажете ви. Я відповім: “Yep”. Таке життя, друзі, але ці штуки дійсно прикольні!
Ви знаєте як працюють напівпровідники? Якщо так, ти ви знаєте, як працюють фотонні кристали. Якщо ні, то я вам зараз розповім, це легко.
Ось у нас є електромагнітна хвилька певної частоти - будемо називати її фотон. І ось у нас є матеріал, у якого є кристалічна гратка. Що таке кристалічна гратка? Це якесь правильне (читати: періодичне) розміщення атомів/молекул. Виглядають вони якось отак
У атомів є сердцевинка з протонів і нейтронів - ядро, і електрончики, які щасливо собі розмазані по орбіталькам - електронним рівням. Нам важливо що електронні рівні можуть бути заповнені (атом містить максимальну кількість електронів, більше взяти хочеться але не можеться вже), або ні (тоді і хочеться, і можеться - атом може захопити декілька електронів), і ці електронні рівні можуть бути на різних, ну, рівнях енергії. У металах, наприклад, електронні рівні окремих атомів перекриваються, тому електрончики вільно бігають собі і веселяться, і ми кажемо що у них спільна електронна хмара. Метали - провідники. А є напівпровідники. У них є дозволені і заборонені рівні енергій. Якщо рівень енергії падаючої електромагнітної хвилі (в нашому випадку електрона, вибачте, я відволіклася на напівпровідники) дозволений, то струм “тече”, а якщо рівень падаючої електромагнітної хвилі заборонений, то ну що ж,
Фотонні кристали працюють приблизно так само, просто замініть електрон на фотон, і буде вам щастя. Різниця фотонного кристала і пігмента у тому, що в пігмента “поглинає“ або “відбиває“ світло саме матерія (має значення склад), а в фотонному кристалі це відбувається через структуру самого матеріалу. Взагалі, взаємодія фотонів і атомів це дуже прикольна штука, але якось іншим разом. Поки що нам важливо, що саме через структуру світло якоїсь довжини собі падає на фотонний кристал, а він йому такий: you shall not pass, і хвиля від розпачу попадає вам в око. Ну і далі по накатаній: сенсори, мозок, сприйняття кольору.
Найприкольніше - це те, що у фотонних кристалів можна змінювати розміри гратки. Типу, розтягувати чи стягувати її. Тоді будуть змінюватися дозволені і заборонені довжини хвиль, відповідно - відбиватися різні кольори.
Оскільки людство загадкове, люди колективно вирішили це все монетизувати, тому також існують такі скріншоти:
А що там в хамелеонів?
А хамелеони - це вершина еволюційної технології. У чуваків є і клітини з пігментом (вони схожі на щупальця, де “тіло“ клітини в нижніх шарах шкіри, а щупальця тягнуться до верхніх), і клітини з нанокристалами.
І що вони (хамелеони) можуть робити? Вони буквально можуть ганяти пігмент по щупальцеподібним клітинам вгору-вниз за необхідності. Так вони можуть змінити темноту кольору.
А зелений, синій, жовтий, червоний? А це все - нанокристали, які при щільній упаковці відбивають зелені і сині довжини хвиль, а при не дуже щільній - червоні-жовті-оце-все. Як вони регулюють лінійні виміри фотонних кристалів - в душі не гребу, але чула що там якось замішаний осмосис. Але не цитуйте мене з цього приводу.
Мораль: пташки нас дурять, а хамелеони - круті.
А ось що можна почитати
Structural Colors in the Realm of Nature. Shuichi Kinoshita
Photonics structures in biology. P. Jucusic, J. R. Sembles. Nature, 2003, т. 424, с. 852–855
Structural colors in nature: the role of regularity and irregularity in the structure. Kinoshita S1, Yoshioka S. Chemphyschem, 2005
Physics of structural colors. S Kinoshita and oth. Reports on Progress in Physics, 2008.
Mimicking the colourful wing scale structure of the Papilio blumei butterfly. Mathias Kolle and oth. Nature Nanotechnology, 2010
Responsive Photonic Crystals. Dr. Jianping Ge, Prof. Yadong Yin. Angewandte Chemie, 2011
Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Jérémie Teyssier, Suzanne V. Saenko, Dirk van der Marel & Michel C. Milinkovitch. Nature Communications 6, 2015
Spatially modulated structural colour in bird feathers. Andrew J. Parnell and oth. Scientific Reports 5, 2015.
Optical Functional Materials Inspired by Biology. Liping Wu and oth. Advanced Optical Materials, 2016
Morpho Butterfly-Inspired Nanostructures. Haider Butt and oth. Advanced Optical Materials, 2016
Domain morphology, boundaries, and topological defects in biophotonic gyroid nanostructures of butterfly wing scales. Andrej Singer and oth. Science Advances 2016
Structural colors: from natural to artificial systems. Yulan Fu, Cary A. Tippets, Eugenii U. Donev, Rene Lopez. Advanced Review, 2016
Biomimetic gyroid nanostructures exceeding their natural origins. Zongsong Gan, Mark D. Turner and Min Gu. Science Advances, 2016.
Bio-inspired hierarchical patterning of silicon by laser interference lithography. Hu Y, Wang Z, Weng Z, Yu M, Wang D. Applied optics, 2016
Optics and Photonics: An Introduction. F. Graham Smith, Terry A. King, Dan Wilkins
