Исследователи обратились к крыльям цикады для проектирования поверхностей с высокопрозрачными свойствами, которые имеют потенциальное применение в солнечных элементах, стелс-поверхностей и других применений в области оптики.
Как отметили исследователи Имран Зада (Imran Zada) и другие в университете Шанхая Цзяо Тун в Китае в недавнем выпуске «Письма прикладной физики», крылья цикады имеют наноразмерные структуры, которые придают им исключительные антиотражающие свойства, позволяя им передавать или поглощать почти 100% видимого света. Когда речь идет о солнечных элементах, антиотражающие свойства играют важную роль, поскольку поглощение большего количества света приводит к лучшей общей производительности.
В своей работе исследователи объясняют, как они изготовили поверхность диоксида кремния (недорогой материал, который обычно используется для создания окон и объективов камеры) с тем же наноструктурным рисунком, что у крыльев цикады (которые состоят в основном из хитина), используя сами крылья как шаблон. Путем обработки крыльев живой биологической цикады в растворе, содержащем диоксид кремния, затем подвергая уже сформировавшийся профиль искусственных крыльев высокоинтенсивному ультразвуку и, наконец, позволяя ему затвердевать, исследователи смогли изготовить биоморфные поверхности диоксида кремния с тем же наноструктурным рисунком, что и крылья живой цикады.
«Наша работа демонстрирует, что двуокись кремния с антиотражающей структурой может быть непосредственно изготовлена из крыльев цикады с помощью простого и недорогого ультразвукового метода с использованием специального геля, — сказал один из авторов исследований Ванг Чжанг (Wang Zhang) из Университета Шанхая Цзяо Тонг. — Материал демонстрирует высокую эффективность антиотражающих свойств в видимом диапазоне длин волн в широком диапазоне углов падения».
Испытания показали, что новые поверхности имеют очень низкий коэффициент отражения, поглощая всего лишь 0,3% видимого света. Однако свойства отражения изменяются в зависимости от угла падения света и возрастают до 3,3% с увеличением углов падения света. Исследователи объясняют, что хорошие антиотражающие свойства возникают из-за наноструктурного рисунка крыльев, в котором размеры наноструктур меньше длины волны света. Этот шаблон создает непрерывно градуированный профиль показателя преломления от воздуха к поверхности материала, который по существу обеспечивает путь для прохождения световых лучей в материал и препятствует их отражению.
Хотя крылья цикады, естественно, супергидрофобны, исследователи смогли настроить это свойство на поверхности диоксида кремния, изменив его химический состав, превратив его в гидрофильный материал. С гидрофильными свойствами поверхность легко образует водородные связи с молекулами воды. В сочетании с антиотражающими свойствами материала это приводит к предотвращению образования тумана, что указывает на потенциальные возможности применения противотуманных и самоочищающихся оптических материалов. Исследователи планируют изучить эти виды приложений в будущей работе.
«В будущем наша работа направлена на создание материалов с высоким показателем преломления с антиотражающими структурами для изучения их многофункциональных свойств, таких как антиотражение, антибактериальная активность и супергидрофобность», — подытожил Чжанг.
Ранее сообщалось о том, что ученые научились сохранять квантовую когерентность бесконечно долго.
