Sommige van de meest levendig gekleurde wezens in het dierenrijk hebben hun verbazingwekkende kleuren niet te danken aan pigment. In plaats daarvan, ze bedekken zichzelf met microscopisch kleine structuren die de manier waarop ze licht reflecteren fijn afstemmen.

Nutsvoorzieningen, deze dieren inspireren een nieuwe generatie nanotechnologie.

Begrijpen waarom deze structuren in de natuur voorkomen, en hoe we ze kunnen leren gebruiken, heeft het BioInspiration Hallmark Research Initiative van de Universiteit van Melbourne geïnspireerd; een project dat principes gebruikt die ten grondslag liggen aan biologische systemen en deze creatief toepast op technologie en design.

Van kevers tot gloednieuwe technologie

Professor Devi Stuart Fox, een onderzoeker aan de School of BioSciences van de Universiteit van Melbourne, onderzoekt momenteel de wereld van kleur in het dierenrijk.

"Mag ik u een voorbeeld geven?" zij vraagt, wijzend naar een verzameling glimmende kevers op de tafel voor haar.

"We hebben veel kevers die zo glanzend en metaalachtig zijn dat ze bijna spiegelachtig zijn en de vraag is 'waarom?'"

Binnen het BioInspiration-initiatief, Professor Stuart-Fox werkt samen met professor Ann Roberts, van de School of Physics van de universiteit, die werkt aan de productie van structurele kleuren voor technologische toepassingen zoals compactere schermen en camera's met een hogere resolutie.

Aspecten van kleur

"Als je aan gekleurde voorwerpen denkt, over het algemeen denk je aan kleuren die zijn gebaseerd op pigmenten of kleurstoffen, "Professor Roberts legt uit.

"In die materialen zullen de verschillende golflengten selectief worden geabsorbeerd en de andere worden teruggekaatst, en dit is wat we zien als gekleurd."

Structurele kleur is genuanceerder.

Door een materiaal te bedekken met arrays van nanostructuren, het is mogelijk om het oppervlak van een materiaal af te stemmen op specifieke golflengten van licht.

Door de grootte en vorm van deze structuren aan te passen, kunnen wetenschappers veranderen met welke delen van het zichtbare spectrum een ​​oppervlak interageert.

Ze kunnen precies afstemmen welke golflengten worden gereflecteerd, ultrazuivere kleuren creëren, en welke golflengten worden uitgezonden, het oppervlak transparant maken om kleuren of polarisaties van licht te selecteren.

Een nieuwe wereld van kleur

In vergelijking met pigmenten, structurele kleuren openen een wereld van mogelijkheden.

"Er zijn al deze optische effecten die je krijgt met structurele kleuren die je niet krijgt met op pigment gebaseerde kleuren, " legt professor Stuart-Fox uit.

Structurele kleur zorgt voor effecten zoals irisatie, waarbij een oppervlak van kleur verandert afhankelijk van de kijkhoek.

Dit zie je terug in het verenkleed van kolibries. Ditzelfde effect is verantwoordelijk voor de regenboogkleurige reflecties die je op de onderkant van cd's en dvd's ziet, en de van kleur veranderende parelmoerverf op auto's.

Het complexiteitsdilemma

De puzzel voor biologen zoals professor Stuart-Fox is om erachter te komen waarom dieren zulke complexe kleuren gebruiken. Met wat kevers, de structuur van hun schaal zorgt voor een spiegeleffect.

"Een idee is dat ze zo glanzend zijn dat ze de omringende vegetatie weerspiegelen, dus het is camouflage. Ook al lijken ze op te vallen als een zere duim, het werkt echt, " ze zegt.

"De alternatieve verklaring is dat vogels en andere dieren deze glimmende objecten gemakkelijk kunnen onderscheiden, maar ze mijden ze - ze denken 'dat is geen eten'. Maar geen van deze ideeën is getest."

Professor Stuart-Fox zet een groot experiment op waarbij honderden replicakevers in regenwouden en open omgevingen worden geplaatst om te proberen onderscheid te maken tussen de camouflage- en vermijdingstheorieën.

Ze voert ook een visuele zoektaak uit waarbij mensen mobiele eye-trackers dragen om te zien hoe effectief de camouflage van de kevers is tegen mensen.

Natuur inspirerende nieuwe technologie

Terwijl biologen kijken naar de evolutionaire voordelen van structurele kleur, natuurkundigen zoals professor Roberts werken aan manieren om structurele effecten voor technologische toepassingen te benutten.

Een manier om structurele kleuren in het laboratorium te maken, is door patronen in een materiaal te snijden met behulp van elektronen in een proces dat elektronenstraallithografie wordt genoemd.

Maar dit kan tijdrovend en duur zijn, en het kan alleen worden gebruikt op kleine stukjes materiaal.

"We werken eigenlijk aan het ontwikkelen van een meer schaalbare aanpak, ’ zegt professor Roberts.

Haar werk omvat het maken van herbruikbare mallen die structuur in zachte kunststoffen stampen, die veel efficiënter is in het bedekken van grote oppervlakken dan lithografie met elektronenbundels. Het vereenvoudigt ook het kleurproces aanzienlijk.

Als we kijken naar standaard kleurenafdrukken, het vereist het aanbrengen van verschillende inktlagen, daarom hebben inkjetprinters meerdere kleurencartridges. Maar met een enkele stempel kan met structurele kleur hetzelfde resultaat worden bereikt.

En, in tegenstelling tot zijn op pigment gebaseerde tegenhanger, structurele kleur vervaagt niet na verloop van tijd.

De toekomst van kleur

Hoewel structurele kleur esthetische toepassingen kan hebben, Het onderzoek van professor Roberts kijkt naar meer waardevolle toepassingen van de technologie, waardoor de productie van camera's met een hogere resolutie en ultradunne televisie- en smartphoneschermen mogelijk zou kunnen worden.

Om zaken als een hogere resolutie te bereiken, we moeten de pixels in deze apparaten kleiner maken.

Pixels gebruiken klein rood, groene en blauwe filters om de kleuren te produceren die we op onze schermen zien. Dus, pixelgrootte wordt fundamenteel beperkt door de grootte van de kleurenfilters die u kunt maken.

Op pigment gebaseerde filters in huidige apparaten zijn over het algemeen enkele micrometers dik. Maar met structurele kleur, Professor Roberts kan filters maken die ongeveer tien keer dunner zijn, bewegen naar de nanometerschaal. Kleinere pixels zorgen voor hogere resoluties en compactere technologie.

Haar recente onderzoek omvat de integratie van een structureel kleurenfilter rechtstreeks in een siliciumchip.

"De filters die rood-groen-blauw produceren, zijn dan een essentieel onderdeel van het eigenlijke apparaat, je gebruikt geen grote, dikke, op kleurstof gebaseerde filter die je erop plaatst, " ze zegt.

Hierdoor kan ze niet alleen kleinere filters maken, het vermijdt ook de fabricageproblemen die gepaard gaan met het uitlijnen van pigmentfilters met pixels op microschaal.

Professor Stuart-Fox zegt dat het nut van structurele kleur in zijn diversiteit zit.

"Biologische structuren zijn vaak complex, maar ze gebruiken een paar basisbouwstenen, " ze zegt.

"Nu we de capaciteit hebben om complexere structuren en materialen te vervaardigen, we hebben meer capaciteit om te putten uit biologie als inspiratiebron."