Происхождение большинства искусственных цветов основано на молекулярных пигментах, в то время как природа разработала другой тип окраски, основанный не на молекулах, а на надмолекулярных структурах. Такие структурные цвета можно обнаружить у насекомых, птиц и морских животных. Хотя точные структурные особенности могут варьироваться от насекомого к насекомому, эти наноструктуры имеют общую высокую степень периодического упорядочения в одном, двух или трех измерениях, структурные особенности порядка нескольких сотен нанометров.
Механизм структурных цветов основан на дифракции и зеркальном отражении. Большая часть падающего света распространяется через биополимерные структуры без значительного воздействия. Однако выбранный диапазон длин волн (с определенной пропорциональностью длине шкалы периодичности структуры) направленно отражается и производит зависящие от угла радужные цвета, наблюдаемые у многих насекомых, птиц и морских животных.
Такие структурные цвета являются интересными примерами способности природы создавать функциональность путем преобразования и формирования нефункциональных соединений в иерархически определенные формы. Похожие концепции создания функции через структурирование стали краеугольным камнем наноматериалов и нанотехнологий за последние 25 лет. Полученные материалы, часто классифицируемые как метаматериалы, состоят из обычных соединений (металлы, полупроводники, керамика или полимеры), но обладают нетрадиционными свойствами в силу своей наноструктуры.
Например, электронные и оптические свойства полупроводников можно кардинально изменить, синтезируя их в виде сфер или стержней размером в несколько нанометров. Прозрачную керамику можно превратить в цветное покрытие, придав ей форму трехмерной периодической архитектуры с решетчатой постоянной в несколько сот нанометров, либо полимерная пленка может быть преобразована в, сверх гидрофобную, представляющую собой Нано-Метрически организованную, наноразмерную поверхность.
Фотонные структуры в биологии и технологии.
Назначение и использование фотонных структур сильно варьируется в биологических и технологических приложениях, что иногда затрудняет сравнение и адаптацию структурно функциональных свойств биологических фотонных структур для технологических применений.
Поскольку условия освещения могут сильно варьироваться в зависимости от среды обитания, биологические фотонные структуры были оптимизированы для создания специфических цветов отражения при различных условиях освещения, от яркого солнечного света до рассеянного и тусклого освещения в лесу. Кроме того, эти структуры в целом спроектированы для выполнения данных функций в организме и, таким образом, интегрированы в более крупные части тела, такие как перья, крылья, волосы, кожа, кости, экзоскелеты и т.д.
Напротив, для создания функциональных устройств для технологических применений фотонные структуры должны быть интегрированы в оптические схемы и фотонные чипы, условия окружающей среды сильно отличаются от биологических. Кроме того, цель фотонных структур в современных устройствах заключается не в том, чтобы создавать цвета, а в том, чтобы направлять, хранить и усиливать свет.
Эволюционное развитие биологических фотонных структур.
Радужность имеет большое значение в мире насекомых, которые часто полагаются на структурные цвета для защиты, маскировки и воспроизводства. Основное преимущество структурных цветов перед пигментированными заключается в том, что они дают более интенсивные цвета, чем пигменты, особенно в условиях слабого освещения. Для насекомых, таких как жуки и долгоносики, эти сооружения обеспечивают яркую окраску даже в условиях слабого освещения лесов.
Уровень проникновения света в эти леса может достигать 2%, и именно в этих районах часто встречаются жуки. Учитывая широкий спектр применения в сочетании с различными условиями окружающей среды, в которых должны функционировать биологические структуры, неудивительно, что среди биологических фотонных структур существует огромное разнообразие: от простых многослойных пленочных композитов до двух и трехмерных периодических решеток с хиральной, сотовой и кубической геометрией (и их комбинаций). Кроме того, в течение многих миллионов лет эти структуры выбирались для создания определенного цвета в определенных условиях.
Фотонные пути структурообразования в биологии.
За последние несколько десятилетий было разработано много синтетических методов получения фотонных кристаллов. Основное правило проектирования фотонных кристаллов заключается в том, что в диапазонах длин волн электромагнитного спектра образуются зазоры, которые имеют такой же порядок периодической длины (или решетки постоянной) фотонного кристалла. Однако природа не разрабатывала и не оптимизировала структуры для технологических приложений, а скорее для маскировки, сигнализации и имитации.
