Наноизготовление и исследование окраски искусственных крыльев бабочки Морфо с выровненными слоями ламелей

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 16637 (2015) Цитировать эту статью

10 тысяч доступов

52 цитаты

51 Альтметрика

Подробности о метриках

Яркий, переливающийся синий цвет крыльев бабочки Морфо уже давно привлекает внимание всего мира к изучению ее загадочной природы. Хотя физика структурного цвета с помощью нанофотонных структур, построенных на чешуйках крыльев, хорошо известна, воспроизведение структуры крыла с помощью стандартной литографии сверху вниз все еще остается проблемой. В этой статье сообщается о техническом прорыве в имитации синего цвета крыльев бабочки Морфо путем разработки нового процесса нанопроизводства, основанного на электронно-лучевой литографии в сочетании с альтернативным проявлением/растворением PMMA/LOR, для фотонных структур с выровненными многослойными ламелями в бесцветных полимерах. Взаимосвязь между окраской и геометрическими размерами, а также формами систематически анализируется путем решения уравнений Максвелла с помощью симулятора разницы во времени в конечной области. Проведена тщательная характеристика имитируемого синего цвета путем спектральных измерений как под нормальным, так и под наклонным углом. Структурный синий цвет, отраженный изготовленными чешуйками крыльев, демонстрируется и далее расширяется до зеленого в качестве практического упражнения новой техники. Проанализировано влияние регулярности повторов на окраску. В принципе, этот подход устанавливает отправную точку для имитации структурных цветов, выходящих за пределы синего, в крыльях бабочки Морфо.

Структурную окраску часто можно наблюдать у бабочек1,2,3,4,5, жуков6 и морских животных7,8 и т. д. Среди них наиболее часто упоминаемыми примерами являются бабочки Морфо9,10,11,12, обитающие в Южной Америке. Окраска крыльев бабочки демонстрирует ряд уникальных особенностей, таких как широкая синяя переливчатость, блестящий блеск, спекловидность, высокая устойчивость к обесцвечиванию, высокая чувствительность к окружающей среде и спектры, независимые от угла13,14. С момента первого наблюдения внутренней структуры с помощью мощного сканирующего электронного микроскопа (СЭМ)15 были проведены обширные исследования происхождения окраски сложных наноструктур крыльев бабочки Морфо16,17,18, обусловленные широким спектром потенциальных применений. Ожидаемые области применения включают переливающуюся текстильную одежду19, функциональные покрытия20, непревзойденное цветовое защитное кодирование21, эффективные солнечные элементы22, высокоселективные газовые датчики23,24, химические датчики с превосходной чувствительностью и избирательностью25,26, а также высокоскоростные устройства формирования инфракрасных изображений27,28 и т. д. Чтобы добиться успеха в точной интерпретации окраски, необходимо создать надежную техническую методологию архитектуры периодической структуры на микро- и наноуровне в масштабе крыльев бабочки, что также является неизбежным шагом к ее применению в повседневной жизни. Как схематично показано исходной архитектурой на рис. 1а, чешуя крыла покрыта параллельными гребнями, расположенными на случайной высоте друг от друга. На боковой стенке каждого гребня имеется пластинчатая структура, состоящая из чередующихся слоев кутикулы и воздуха. Создание таких наноструктур представляло собой сложную задачу из-за трехмерных изменений профиля. Хотя сообщалось о многочисленных попытках. Сайто и др.29,30 и Чунг и др.31 имитировали синий цвет с широким углом обзора путем многослойного осаждения TiO2/SiO2 на неравномерную субструктуру. Ватанабе и др.32 изготовили копию чешуек бабочки Морфо и наблюдали отражение синего цвета с помощью сфокусированного ионно-лучевого химического осаждения из паровой фазы (FIB-CVD). Хуанг и др.33, Чжан и др.34,35,36, Канг и др.37 и Чен и др.38,39 использовали бабочку в качестве биошаблонов для синтеза 3D-наноструктур с помощью оксидов металлов или полидиметилсилоксана (ПДМС) и сообщили что реплика может отражать разные цвета с разными размерами решетки и показателями преломления. Однако все описанные подходы не были основаны на стандартном процессе нисходящей нанолитографии с большой площадью, высоким выходом и низкой стоимостью. Единственным исключением является то, что Арьял и др.40 недавно представили метод нанопроизводства большой площади с помощью промышленных технологий и последующего наноимпринтинга трехмерных чешуек крыльев бабочки. К сожалению, его оптическая окраска не охарактеризована. Более того, в большинстве имитируемых наноструктур используются неорганические материалы, в результате чего копии отображают цвет в отличие от настоящей бабочки Морфо, поскольку оптические свойства неорганических материалов отличаются от оптических свойств кутикулы в настоящих чешуйках крыльев бабочки.