Mit tanulhatunk a szentjánosbogártól? Nanostrukturált kitinbevonat?

A természettől ellesett nanostrukturált lencsefelületnek köszönhetően javulhat a LED-k fénykibocsátása. Az élővilág több „műszaki” problémára is figyelemreméltó megoldást talált.

Például egyes rovarok nanostrukturált kitinbevonatuk segítségével polarizált fényt tudnak visszaverni, világító interferenciaszíneket tudnak előállítani vagy a fényvisszaverést szinte teljesen meg tudják akadályozni.

A szentjánosbogarak a világítószervük felületének nanostruktúrája segítségével nagyon hatékonyan tudnak fényt kisugározni a párzó partner kereséséhez. Koreai kutatók ezt a nanotrükköt most arra használják, hogy rendkívül hatékony lencséket állítsanak elő fénydiódák számára.

Ki-Hun Jeong és kollégái a KAIST intézetben a szentjánosbogár-félékkel rokon Luciola lateralis Motschulky bogárfaj hímjének potrohán található világítószerv borításának felületét vizsgálták.

A raszterelektronmikroszkópos felvételek megmutatták, hogy a kitinbőr egymás mellett elhelyezkedő, hosszúkás kicsúcsosodásokkal rendelkezik, amelyek kb. 150 nanométer szélesek és 110 nanométer magasak, valamint 250 nanométeres periódussal rendszeresen ismétlődnek.

A KAIST kutatói kiszámították, hogy az így strukturált kitin felület a szentjánosbogár zöld biolumineszcencia (kb. 560 nanométer hullámhosszúságú) fényét nagyon hatékonyan sugározza ki. A kitin kb. 1,56-os törésmutatóval rendelkezik, ezzel szemben a nanostrukturált felület effektív törési indexe csak 1,24 volt. A szentjánosbogár fénye a felületről alig verődik vissza, így egy hatékony kisugárzás jön létre.

Egy LED fényének is viszonylag nagy törésmutatójú anyagon kell áthaladnia. Ki-Hun Jeong és kollégái úgy könnyítették meg a fény kilépését, hogy a lencsefelületet egy nanostruktúrával látták el, amelyet a szentjánosbogár bőrének felülete ihletett. Ehhez egy méhsejt formájú elrendezést választottak 80-tól 140 nanométer magas kiemelkedésekkel a gömbhéj szelet alakú lencsefelületen.

A különböző hosszúságú nanooszlopokkal ellátott lencsék a fényt eltérő erősséggel verik vissza és engedik ennek megfelelően át (Kép: J. –J. Kim et al., PNAS)

A lencsefelületet a kutatók úgy állították elő, hogy először apró polisztirol golyócskákat rendeztek el egy sík szilíciumoxid alapra. Azután az alapréteg egy részét elmaratták, a golyók alatt ezúton hengeres oszlopok maradtak meg. Az így strukturált alapot formaként használták egy 100 mikrométer vastagságú rugalmas polidimetilsziloxánból készült réteghez, amelyet végül leválasztottak és egy kb. 5 mm átmérőjű körformájú nyílásra helyeztek. Vákuum alatt a réteg részben behúzódott a nyílásba és ez alatt egy gömbhéj szelet alakra deformálódott. A gömbhéj szeletet aztán kitöltötték egy UV fényre keményedő fényáteresztő műanyaggal, amely az UV sugárzás után egy 4,4 milliméter átmérőjű lencsét alkotott.

A kutatók összesen négy ilyen lencsét készítettek, amelyek felületéből 80, 100, 120 és 140 nanométer hosszúságú oszlopok álltak ki. A 120 nanométeres hosszúságú oszlopokkal rendelkező lencsefelület adta le legjobban az alatta található LED fényét. Az áteresztőképessége 98% volt a vörös és kék fény esetében és 98,3% az 560 nanométeres hullámhosszúságú zöld fénynél. A rövidebb, vagy hosszabb oszlopokkal rendelkező, vagy teljesen sima lencséknek jelentősen kisebb 94 és 97 százalék közötti átengedési fokuk volt. Az eredmények egybevágnak a számításokkal. A biológiai ihletésű nanostrukturált lencsékkel javítani lehetne a nagyteljesítményű LED-k fénykibocsátását, amelyek vakuként, vagy világítótestként sokféle módon alkalmazhatók lennének.

A témához kapcsolódó tudományos cikk:
J.-J. Kim et al.: Biologically inspired LED lens from cuticular nanostructures of firefly lantern, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, online 29. Oktober 2012; DOI: 10.1073/pnas.1213331109

Forrás: www.pro-physik.de

Ritzinger György

Forrás - Kép forrása: Marina van den Boorn - Flickr