Onderzoekers stellen een op de olifantsvis geïnspireerde optische benadering voor om de capaciteit van sensoren bij weinig licht te verbeteren. Anderen ontwikkelden een biofotonische 3D-reflector die op dezelfde manier werkt als de polarisator van de thoracale aanhangsels van de bidsprinkhaankreeft. Weer anderen lieten zich inspireren door de glanzende huid van diepzeevissen voor de ontwikkeling van nanometrische reflectoren.
Multidirectionele microfotocollectoren, geïnspireerd op de ogen van de olifantsvis
Het vermogen om bij weinig licht beelden te genereren is essentieel voor tal van toepassingen. De verbetering van de lichtgevoeligheid van kunstmatige beeldvormingssystemen hangt samen met elektronische methoden. In de natuur gaan de ogen van dieren echter anders te werk.
In dit model passen onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison een volledig optische strategie toe om de capaciteit van sensoren bij lage lichtsterkte te verbeteren. Die strategie is geïnspireerd op de facetogen van insecten en op de netvliesstructuur van de ogen van de olifantsvis. Dankzij deze structuur kan de vis ook in troebel water goed zien; ze bestaat uit diepe holten met reflecterende zijwanden.
De wetenschappers hebben deze structuur in een synthetisch materiaal nagemaakt. Elk van de microscopische holten is bekleed met reflecterend aluminium en aangebracht in een uitstekend stukje glas. Wanneer het licht die uitsteeksels raakt, wordt het gefocust door de reflecterende zijwanden. De onderzoekers ontwikkelden op deze manier een kunstmatig oog dat 's nachts veel beter ziet dankzij multidirectionele microfotocollectoren die in rijen op parabolische reflecterende wanden zijn aangebracht.
Met deze benadering kunnen de fysieke en materiële beperkingen van elektronische beeldvormingssystemen worden omzeild.
Een prototype waarmee valt te werken, zal naar verwachting pas over 5-10 jaar gereed zijn.
Een nieuw optisch materiaal, gebaseerd op de taal van bidsprinkhaankreeften
Veel biofotonische structuren hebben reflecterende eigenschappen die gebaseerd zijn op een constructieve fase-interferentie, gekenmerkt door een periodiciteit of een distributie van periodiciteiten die parallel zijn aan de richting van het invallende licht. De polarisatiekenmerken van die reflecties zijn evenwel meestal beperkt door de dimensionale symmetrie en de intrinsieke diëlektrische eigenschappen van het biologische materiaal.
De thoracale aanhangsels waarmee de bidsprinkhaankreeft communiceert, zijn voorzien van een biofotonische structurele 3D-reflector die als lineaire polarisator werkt. Slechts weinig dieren gebruiken die communicatievorm, zodat deze schaaldieren er niet snel de aandacht van predatoren mee trekken.
Onderzoekers aan de Universiteit van Bristol hebben ontdekt dat het hier om een zeer specifieke polarisatiestructuur gaat. Ze bestaat uit 6-8 lagen holle, ovale blaasjes met een optische as van 550 nm, 250 nm en 150 nm. De reflectie van niet-gepolariseerd, op normale wijze binnenvallend licht is blauwgroen en heeft een reflectiegolflengte van maximaal 520 nm en een polarisatiegraad van ruim 0,6 binnen het grootste deel van het zichtbare spectrum.
De onderzoekers verklaren de polarisatiereflectie aan de hand van een resonante koppeling met Bragg-harmonischen van de eerste orde in het vlak. Deze harmonischen worden geassocieerd met een distributie van periodiciteiten die loodrecht op de belichtingsrichting staan en die door de vormanisotropie van de blaasjes voor elke lineaire polarisatiemodus anders zijn.
Deze controle en afstelling van de reflectiepolarisatie door de vorm van de holle verspreiders is een nieuwe manier om fotonische structuren te ontwerpen. Zo kunnen effectieve polarisators worden ontwikkeld voor camera's, dvd-spelers en zonnebrillen.
De glanzende huid van vissen als inspiratiebron voor nanoreflectoren
Onderzoekers aan Penn State onderzoeken de huidskleur van levende organismen. De glanzende eigenschappen van de huid van vissen is voor hen een inspiratiebron voor de ontwikkeling van lichtreflectoren op nanoschaal.
Bepaalde diepzeevissen, de trachipteridae, hebben een huid die licht in een breed gamma aan golflengtes reflecteert. Daardoor ontstaat een glanzend metaalachtig effect. Deze reflectie is te danken aan een opeenhoping van lagen kristallijne organische samenstellingen. Bij sommige organismen met een metaalachtig reflecterende huid zijn die opeenhopingen regelmatig, maar bij de trachipteridae zijn ze onregelmatig. Ze zijn echter niet volledig willekeurig. De onderzoekers hebben algoritmen ontwikkeld om deze modellen te reproduceren in halfgeleidende materialen. De stratificatie van de biologische structuur van deze zilverkleurige vissen zou gebaseerd zijn op een fractale geometrie (Cantor bars).
De algoritmen zijn genetisch en bootsen een darwiniaanse evolutie na om opeenvolgende generaties fractalmotieven te creëren op basis van een oorspronkelijk model. Na meer dan 100 generaties convergeren de modellen naar een geoptimaliseerd ontwerp dat beantwoordt aan de beperkingen van het systeem.
De toepassing van deze algoritmen en de willekeurige Cantor bars heeft modellen opgeleverd met optische functies in nabij- en middelinfrarood en voor breedbeeldreflectie.
De door Penn State ontwikkelde techniek kan worden gebruikt voor breedbeeldreflectoren en voor multispectrumfilters in een brede waaier aan toepassingen, zoals geavanceerde optische glasbekledingen, laserbescherming, infraroodbeeldvormingssystemen, optische communicatiesystemen en fotovoltaïsche toepassingen.
