Een door de natuur geïnspireerde methode om de reflectie van licht van de huid van zilverachtige vissen en andere organismen te modelleren, is mogelijk, volgens onderzoekers van Penn State.

Een dergelijke techniek kan van toepassing zijn op de ontwikkeling van betere breedbandreflectoren en aangepaste multispectrale filters voor een breed scala aan toepassingen, inclusief geavanceerde optische coatings voor glas, laserbescherming, infrarood weergavesystemen, optische communicatiesystemen en fotovoltaïsche, volgens Douglas Werner, John L. en Genevieve H. McCain, hoogleraar elektrotechniek, Penn State.

Het voorgestelde model draagt ​​ook bij aan het begrip van de reflecterende lagen in de huid van sommige organismen. De glanzende huid van bepaalde lintvissen reflecteert licht over een breed scala aan golflengten, waardoor ze een schitterende metallic uitstraling krijgen. De reflectiviteit is het resultaat van gestapelde lagen van kristallijne organische verbindingen die zijn ingebed in het cytoplasma van hun huid. Sommige organismen met metaalachtige glans hebben lagen die in een regelmatig patroon zijn gestapeld, terwijl anderen, inclusief de lintvis, stapelpatronen hebben die worden beschreven als "chaotisch" of willekeurig. Het Penn State-team stelde vast dat de stapeling niet volledig willekeurig is en ontwikkelde wiskundige algoritmen om die patronen in halfgeleidermaterialen te repliceren.

"We stellen een model voor dat fractale geometrie gebruikt om de gelaagdheid in de biologische structuur van zilverachtige vissen te beschrijven, " zegt Jeremy Bossard, postdoctoraal onderzoeker in de elektrotechniek, Penn State. "Hoewel we niet proberen de structuur in de natuur te reproduceren, hetzelfde model zou het ontwerp van apparaten zoals breedbandspiegels kunnen sturen."

Fractals worden de 'geometrie van de natuur' genoemd omdat ze kunnen helpen bij het beschrijven van de onregelmatige maar op zichzelf lijkende patronen die voorkomen in natuurlijke objecten, zoals vertakte takken van bomen. De onderzoekers gebruiken een eendimensionale fractal, bekend als een Cantor-barfractal, dat is een lijn gedeeld door spaties of gaten. Normaal gesproken, Cantor fractals lijken zeer regelmatig te zijn, maar wanneer willekeurige veranderingen in de geometrie worden geïntroduceerd, er ontstaat een complexer patroon. Het patroon lijkt op de gelaagdheid van reflecterende lagen in de huid van lintvissen.

"Er is een onderliggend patroon, maar er is willekeur ingebouwd, " zegt Bossard, "vergelijkbaar met de manier waarop levende bomen een algemeen fractaal patroon hebben, maar niet symmetrisch groeien."

De onderzoekers gebruiken vervolgens een andere door de natuur geïnspireerde computationele methode, een genetisch algoritme genaamd, dat de darwinistische evolutie nabootst om opeenvolgende generaties fractale patronen van de ouderpatronen te creëren. Meer dan ongeveer 100 generaties, de patronen komen samen in het beste ontwerp om aan alle doelvereisten te voldoen.

Met behulp van deze fractale willekeurige Cantor-balken en het genetische algoritme, de onderzoekers waren in staat om wiskundig patronen te genereren die gericht waren op optische functies in het midden-infrarood en nabij-infrarood bereik, inclusief breedbandreflectie. Ze stellen voor dat de ontwerpbenadering kan worden gebruikt om stapels op nanoschaal te ontwikkelen met aangepaste reflecterende spectra. De onderzoeksresultaten worden gerapporteerd in de 13 januari, 2016 nummer van de Tijdschrift van de Royal Society Interface in "Evoluerende willekeurige fractale Cantor-superroosters voor het infrarood met behulp van een genetisch algoritme."

Lan Lin, een recente Ph.D. afgestudeerd in elektrotechniek, droeg ook bij aan het werk en voerde materiaalfabricage en karakterisering uit voor het project.