Уроки природы. Скопированные у бабочек
гироидные наноструктуры лучше оригинала!

Изучение природных наноструктур и связанных с ними функциональных свойств живых организмов помогает ученым создавать интересные биомиметические аналоги. Бабочки со структурной окраской являются одними из наиболее важных и популярных объектов исследований. Копируя микро/наноструктуру хитиновых чешуек, которыми покрыты крылья, можно синтезировать полимерные пленки, сочетающие свойства фотонного кристалла и супергидрофобность, или лёгкие светоотражающие покрытия для солнечных концентраторов (подробнее см. ПерсТ [1,2]). Как показали недавние исследования [3,4], чешуйки некоторых видов бабочек, в том числе зеленой бабочки Callophrus rubi (рис. 1А), состоят из гироидных фотонных наноструктур (рис. 1В). Гироид – непрерывная (без самопересечений) бесконечно повторяющаяся в трёх измерениях структура с минимальной поверхностью*. Материалы с такой структурой демонстрируют интересные оптические эффекты, например, круговой дихроизм (различие поглощения для света правой и левой круговых поляризаций). Однако синтезировать 3D гироидные структуры, аналогичные природным, чрезвычайно сложно. Существующие технологии либо не обеспечивают нужного разрешения (< 100 нм), либо не позволяют создать объемные наноструктуры. Ученым из Австралии впервые удалось воспроизвести гироидные наноструктуры чешуек бабочки Callophrus rubi и даже улучшить их оптические свойства (рис. 1C,D,E) [4]. Они разработали метод оптической двухлучевой литографии высокого разрешения для создания 3D структур (рис. 2) [5].

 

Рис. 1. А - Фотография бабочки Callophrus rubi. B - SEM изображение наноструктуры, обнаруженной в крыле (периодичность ~ 350 нм). С, D - Искусственная гироидная структура, созданная авторами [4]. Постоянная решетки 360 нм, размеры 20х20х4 мкм. Е - Микроскопическое изображение искусственного гироида в отраженном белом свете. Справа приведена модель хитиновой гироидной структуры чешуйки крыла бабочки Callophrus rubi (2х2х2 элементарные ячейки) [3].

Используя свой метод, исследователи получили гироидные структуры в виде усеченных пирамидок с постоянной решетки от 300 до 550 нм (рис. 1С), механическая прочность которых выше, чем у структур, полученных методом однолучевой литографии (кстати, у природных гироидных структур в чешуйках прочность обеспечивают дополнительные соединения (рис. 1В).

Рис. 2. Сравнение различных видов литографии:
a
- электронно-лучевая обеспечивает высокое разрешение, но не годится для создания 3D структур;
b
- однолучевая оптическая литография способна создать 3D структуры любой геометрии, но дифракция света ограничивает разрешение;
c
- двухлучевая оптическая литография создает 3D структуры с высоким разрешением благодаря ингибирующему лучу [5].

Сине-зеленый цвет биомиметической структуры такой же, как и у крыльев бабочки (рис. 1Е). Это говорит о высоком качестве искусственных гироидов. Более того, они проявляют заметный круговой дихроизм в отличие от природных, оптические свойства которых хуже из-за структурной неоднородности. Спектры пропускания для двух гироидных структур приведены на рис. 3. Результаты экспериментов и моделирования хорошо согласуются и показывают наличие запрещенных зон и кругового дихроизма в видимом диапазоне. При изменении постоянной решетки от 360 до 300 нм структурная окраска меняется от сине-зеленой до синей.

 

Рис. 3. Результаты моделирования и экспериментальные спектры пропускания гироидных структур с постоянной решетки 360 нм (А) и 300 нм (В).

 

 

 

 

Таким образом, австралийские ученые не просто скопировали гироиды бабочек, но разработали метод получения более прочных лёгких структур с регулируемыми оптическими свойствами. Они могут быть использованы в оптоэлектронных устройствах, работающих в видимом и ближнем УФ диапазоне.

О.Алексеева

____________

* Впервые гироиды были описаны в 1970 г американским ученым Аланом Шоэном, когда он работал в NASA. (A.H. Schoen “Infinite periodic minimal surfaces without self-intersections” Technical Notes TN D-5541, NASA, 1970).

1.  ПерсТ 19, вып. 24, с. 3 (2012).

2.  ПерсТ 22, вып. 21, с. 5 (2015).

3.  B.Winter et al., PNAS 112, 12911 (2015).

4.  Z.Gan et al., Science Adv. 2, e1600084 (2016).

5.  Z.Gan et al., Nature Commun. 4, 2061 (2013).