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하얗게 빛나는 새우의 미스터리 풀렸다 – Physics World

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밝은 흰색 수염 모양의 더듬이, 등 아래의 흰색 줄무늬, 꼬리의 흰색 반점을 보여주는 태평양 청소 새우의 사진
흰색 줄무늬: 퍼시픽 클리너 새우에서 볼 수 있는 화려한 흰색 색상. (제공: PilarMeca, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18884803)

이스라엘의 연구원들은 해양 청소부에게 눈부신 흰색 색상을 부여하는 독특한 광학 나노구조를 발견했습니다. 다양한 이미징 기술을 사용하여 이스라엘 네게브의 Ben-Gurion 대학의 Benjamin Palmer가 이끄는 팀은 태평양 청소 새우의 구형 입자가 들어오는 빛을 모든 방향으로 산란시키면서 산란 패턴이 겹치는 것을 피한다는 것을 보여주었습니다. 이 발견은 새로운 생체 ​​영감 백색 안료로 이어질 수 있습니다.

많은 유기체는 독특하고 매혹적인 방식으로 빛을 조작하는 능력을 발전시켜 왔습니다. 이러한 메커니즘을 모방하여 연구원들은 렌즈와 거울을 포함한 여러 광학 장치에 대한 새로운 디자인을 개발했습니다. 나비 날개 및 새 깃털과 같은 구조는 나노 구조에 의해 산란된 빛을 통해 선명한 색상을 생성하는 새로운 코팅에 영감을 주었습니다.

그러나 지금까지 한 가지 색상은 이러한 구조적 수단, 즉 화학 안료에 의존하지 않고 생산하기 특히 어려운 것으로 입증되었습니다. "가장 흥미로운 문제 중 하나는 흰색 페인트와 식용 색소에 희끄무레한 색조를 부여하는 무기 물질에 대한 대안을 찾는 것입니다."라고 Weizmann Institute of Science의 팀원인 Dan Oron은 설명합니다. "이러한 제품에 가장 일반적으로 사용되는 무기 물질인 나노 결정질 티타니아가 유해한 것으로 의심되기 때문입니다."

옵티컬 크라우딩 극복

문제의 핵심은 흰색 색조를 생성하려면 모든 광학 파장의 광자가 방향 정보를 완전히 잃어버릴 정도로 여러 번 산란되어야 한다는 것입니다. 이를 위해서는 산란을 담당하는 나노구조가 매우 단단하게 채워져야 합니다. 그러나 이러한 조밀한 패킹은 산란 패턴이 겹치는 "광학 밀집" 문제를 일으켜 산란 구조의 전체 반사율을 감소시킵니다.

이러한 어려움에도 불구하고, 한 동물은 시각적 크라우딩의 복잡성이 극복할 수 없는 것이 아님을 입증했습니다. 열대 지방의 산호초에 서식하는 태평양 청정 새우는 더듬이, 큐티클, 꼬리 및 턱이 들어오는 빛의 최대 80%를 반사하는 눈에 띄는 흰색으로 쉽게 알아볼 수 있습니다.

고급 이미징 및 시뮬레이션

그들의 연구에서 Palmer와 동료들은 깨끗한 새우의 선명한 흰색 색상을 담당하는 것으로 알려진 색소포 세포의 나노 구조에 초점을 맞췄습니다. 극저온 전자 현미경과 광학 이미징의 조합을 사용하여 그들은 세포 내에서 산란층을 형성하는 구형 입자의 구조, 구성 및 광학 특성을 특성화했습니다. 그들은 또한 전체적으로 산란 매질의 광학적 반응을 이해하기 위해 전자기장 전파의 수치 시뮬레이션을 사용했습니다.

팀의 분석에 따르면 이러한 입자는 빌딩 블록을 구성하는 평면 분자의 독특한 구조와 배열 덕분에 빛을 여러 방향으로 산란시키는 것으로 나타났습니다. "입자는 이러한 평면 분자의 액정 배열입니다."라고 Oron은 설명합니다. "이 모든 분자는 평평한 면이 구체의 반지름에 수직이 되도록 배열되어 있습니다."

전체적으로 이 구조는 새우의 더듬이와 밴드를 하얗게 보이게 만드는 데 필요한 재료의 양을 크게 줄입니다. 이를 통해 청소기 새우의 색소포 세포는 광학 밀집 효과를 제거하는 동시에 입자에서 산란되는 입사 광자의 편광을 뒤섞어 방향 정보를 파괴할 수 있습니다. "어떤 의미에서 이 광학 이방성은 구의 앙상블이 실제보다 굴절률이 더 높은 물질로 만들어진 것처럼 빛을 산란시킵니다."라고 Oron은 설명합니다.

더 안전한 흰색 페인트 및 식용 색소

결과는 청소기 새우와 같은 유기체의 진화적 솔루션이 어떻게 최적화된 기술에 영감을 줄 수 있는지에 대한 좋은 예입니다. 광학 이방성에 대한 새우의 메커니즘을 모방함으로써 Palmer 팀은 향후 연구에서 연구원들이 페인트 및 식용 색소와 같은 제품에 사용하기에 안전한 고급 초백색 유기 나노 구조를 설계할 수 있기를 희망합니다.

"보다 일반적으로, 우리가 올바른 유기 분자의 유사한 결정 배열의 성장을 마스터할 수 있다면, 강한 광학적 이방성이 인공 광학 장치의 구성에서 설계 매개변수로 취할 수 있는 역할을 지적합니다."라고 Oron은 결론지었습니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 자연 Photonics.

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