Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Биологически вдохновленная фотоника или оптические материалы на основе биологических материалов - это подкатегория биологического вдохновения . В него входят искусственные материалы с оптическими свойствами, вдохновленные живыми организмами. [1] [2] Это отличается от биофотоники, которая является областью исследований по разработке и применению оптических методов для наблюдения за биологическими системами. В живых организмах цвета могут происходить из пигментов и / или уникальных структурных характеристик ( структурной окраски ). [1] [2]

Молекулярная биомиметика [ править ]

Молекулярная биомиметика включает создание оптических материалов на основе определенных молекул и / или макромолекул, вызывающих окрашивание. [1] Пигментные материалы, направленные на специфическое молекулярное поглощение света , были разработаны как, например, вдохновленные меланином пленки, полученные полимеризацией предшественников меланина, таких как дофамин и 5,6-дигидроксииндол, чтобы вызвать насыщенность цвета . [3] [4] [5] Материалы, основанные на многослойном наложении молекулярных кристаллов гуанина, обнаруженных в живых организмах (например, рыбах [6]и хамелеоны [7] ) были предложены в качестве потенциальных отражающих покрытий и солнечных отражателей . Протеин основанное оптических материалов, например самособирающихся рефлектинов белков найдены в головоногих [8] [9] и шелка , [10] подстрекали интерес искусственных материалов для маскировочных систем, [11] электронная бумага (электронная бумага) [12 ] и биомедицинские приложения. [13] Небелковые биологические макромолекулы, такие как ДНК , также использовались для био-оптики. [14]Самый распространенный биополимер на Земле, целлюлоза , также используется в качестве основного компонента для биооптики. [15] [1] Модификация древесины или других источников целлюлозы может уменьшить рассеяние и поглощение света, что приведет к получению оптически интересных материалов, таких как прозрачное дерево и бумага. [16] [17]

Биоинспирированные периодические / апериодические структуры [ править ]

Основная статья: структурная окраска

Структурный цвет - это тип окраски, возникающий в результате взаимодействия света с наноразмерными структурами. [18] Это взаимодействие возможно, потому что эти фотонные структуры имеют тот же размер, что и длина волны света. Благодаря механизму конструктивного и деструктивного вмешательства одни цвета усиливаются, а другие уменьшаются.

Фотонные структуры широко распространены в природе и существуют у самых разных организмов. Разные организмы используют разные структуры, каждая с разной морфологией, предназначенная для достижения желаемого эффекта. Примерами этого являются фотонный кристалл, лежащий в основе ярких цветов павлиньих перьев [19], или древовидные структуры, ответственные за ярко-синий цвет у некоторых бабочек Морфо . [20]

Примером био-вдохновленной фотоники с использованием структур является так называемый глаз бабочки . Мотыльки имеют структуру упорядоченных цилиндров в глазах, которые не создают цвета, а вместо этого уменьшают отражательную способность. [21] Эта концепция привела к созданию просветляющих покрытий. [22]

Адаптивные материалы [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Тадепалли, Сиримувва; Slocik, Joseph M .; Гупта, Маниш К .; Naik, Rajesh R .; Сингаманени, Шрикантх (2017). «Биооптика и биоиндуцированные оптические материалы». Химические обзоры . 117 (20): 12705–12763. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.7b00153 . ISSN  0009-2665 . PMID  28937748 .
  2. ^ a b Колле, Матиас; Ли, Сыну (2018). «Прогресс и возможности мягкой фотоники и биологической оптики» . Современные материалы . 30 (2): 1702669. DOI : 10.1002 / adma.201702669 . ISSN 0935-9648 . PMID 29057519 .  
  3. ^ Сяо, Мин; Ли, Ивэнь; Аллен, Майкл С .; Deheyn, Dimitri D .; Юэ, Сюцзюнь; Чжао, Цзючжоу; Джаннески, Натан К .; Шоуки, Мэтью Д.; Дхиноджвала, Али (2015). «Биоиндуированные структурные красители, полученные путем самосборки синтетических наночастиц меланина» . САУ Нано . 9 (5): 5454–5460. DOI : 10.1021 / acsnano.5b01298 . ISSN 1936-0851 . PMID 25938924 .  
  4. ^ делла Веккья, Никола Федор; Черрути, Пьерфранческо; Джентиле, Дженнаро; Эррико, Мария Эмануэла; Амброджи, Вероника; Д'Эррико, Жерардино; Лонгобарди, Сара; Наполитано, Алессандра; Падуано, Луиджи; Карфанья, Козимо; д'Искья, Марко (2014). «Искусственный биомеланин: наноразмерный эумеланин с высокой степенью поглощения света, полученный путем биомиметического синтеза в курином яичном белке». Биомакромолекулы . 15 (10): 3811–3816. DOI : 10.1021 / bm501139h . ISSN 1525-7797 . PMID 25224565 .  
  5. ^ Sileika, Tadas S .; Ким, Хён-До; Маняк, Петр; Мессерсмит, Филипп Б. (2011). «Антибактериальные свойства модифицированных полидофамином полимерных поверхностей, содержащих пассивные и активные компоненты». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 3 (12): 4602–4610. DOI : 10.1021 / am200978h . ISSN 1944-8244 . PMID 22044029 .  
  6. ^ Леви-Лиор, Авиталь; Покрой, Вооз; Левави-Сиван, Берта; Лейзеровиц, Лесли; Вайнер, Стив; Аддади, Лия (2008). «Биогенные кристаллы гуанина из кожи рыб могут быть созданы для улучшения светоотражения». Рост и дизайн кристаллов . 8 (2): 507–511. DOI : 10.1021 / cg0704753 . ISSN 1528-7483 . 
  7. ^ Тейссье, Жереми; Саенко, Сюзанна В .; ван дер Марель, Дирк; Милинкович, Мишель С. (2015). «Фотонные кристаллы вызывают активное изменение цвета у хамелеонов» . Nature Communications . 6 (1): 6368. DOI : 10.1038 / ncomms7368 . ISSN 2041-1723 . PMC 4366488 . PMID 25757068 .   
  8. Перейти ↑ Crookes, WJ (2004). «Рефлектины: необычные белки светоотражающих тканей кальмаров». Наука . 303 (5655): 235–238. DOI : 10.1126 / science.1091288 . ISSN 0036-8075 . PMID 14716016 . S2CID 44490101 .   
  9. ^ Крамер, Райан М .; Крукс-Гудсон, Венди Дж .; Найк, Раджеш Р. (2007). «Самоорганизующиеся свойства белка рефлектина кальмара» . Материалы природы . 6 (7): 533–538. DOI : 10.1038 / nmat1930 . ISSN 1476-1122 . PMID 17546036 .  
  10. ^ Пал, Рамендра К .; Курляндия, Николай Е .; Ван, Цунчжоу; Kundu, Subhas C .; Ядавалли, Вамси К. (2015). «Биологическое моделирование белков шелка для мягкой микрооптики». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 7 (16): 8809–8816. DOI : 10.1021 / acsami.5b01380 . ISSN 1944-8244 . PMID 25853731 .  
  11. ^ Фан, Лонг; Walkup, Ward G .; Ordinario, Дэвид Д.; Каршалев Эмиль; Джоксон, Иона-Мика; Берк, Энтони М .; Городецкий, Алон А. (2013). «Реконфигурируемые инфракрасные маскирующие покрытия из белка головоногих моллюсков» (PDF) . Современные материалы . 25 (39): 5621–5625. DOI : 10.1002 / adma.201301472 . ISSN 0935-9648 . PMID 23897625 .   
  12. ^ Kreit, E .; Mathger, LM; Хэнлон, RT; Деннис, ПБ; Naik, RR; Forsythe, E .; Хайкенфельд, Дж. (2012). «Биологическое и электронное адаптивное окрашивание: как можно информировать друг друга?» . Журнал Интерфейса Королевского общества . 10 (78): 20120601. DOI : 10.1098 / rsif.2012.0601 . ISSN 1742-5689 . PMC 3565787 . PMID 23015522 .   
  13. ^ Паркер, Сара Т .; Домашук, Петр; Амсден, Джейсон; Бресснер, Джейсон; Льюис, Дженнифер А .; Каплан, Дэвид Л .; Оменетто, Фьоренцо Г. (2009). "Биосовместимые оптические волноводы с шелковой печатью". Современные материалы . 21 (23): 2411–2415. DOI : 10.1002 / adma.200801580 . ISSN 0935-9648 . 
  14. ^ Steckl, Andrew J. (2007). «ДНК - новый материал для фотоники?». Природа Фотоника . 1 (1): 3–5. DOI : 10.1038 / nphoton.2006.56 . ISSN 1749-4885 . S2CID 18005260 .  
  15. ^ Клемм, Дитер; Хойблен, Бриджит; Финк, Ханс-Петер; Бон, Андреас (2005). «Целлюлоза: увлекательный биополимер и экологически чистое сырье». Angewandte Chemie International Edition . 44 (22): 3358–3393. DOI : 10.1002 / anie.200460587 . ISSN 1433-7851 . PMID 15861454 .  
  16. ^ Ли, Юаньюань; Фу, Цилян; Ян, Сюань; Берглунд, Ларс (2017). «Прозрачная древесина для функциональных и конструкционных применений» . Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 376 (2112): 20170182. дои : 10.1098 / rsta.2017.0182 . ISSN 1364-503X . PMC 5746562 . PMID 29277747 .   
  17. ^ Ноги, Масая; Ивамото, Шиничиро; Накагайто, Антонио Норио; Яно, Хироюки (2009). «Оптически прозрачная нановолоконная бумага». Современные материалы . 21 (16): 1595–1598. DOI : 10.1002 / adma.200803174 . ISSN 0935-9648 . 
  18. ^ Киношита, S; Йошиока, S; Миядзаки, Дж (2008). «Физика структурных красок». Отчеты о достижениях физики . 71 (7): 076401. DOI : 10,1088 / 0034-4885 / 71/7/076401 . ISSN 0034-4885 . 
  19. ^ Zi, J .; Yu, X .; Li, Y .; Ху, X .; Xu, C .; Ван, X .; Лю, X .; Фу Р. (2003). «Стратегии окраски павлиньих перьев» . Труды Национальной академии наук . 100 (22): 12576–12578. DOI : 10.1073 / pnas.2133313100 . ISSN 0027-8424 . PMC 240659 . PMID 14557541 .   
  20. ^ Смит, Гленн С. (2009). «Структурная окраска бабочек Морфо». Американский журнал физики . 77 (11): 1010–1019. DOI : 10.1119 / 1.3192768 . ISSN 0002-9505 . 
  21. ^ Clapham, PB; Хатли, MC (1973). «Уменьшение отражения линз по принципу« ночной бабочки »». Природа . 244 (5414): 281–282. DOI : 10.1038 / 244281a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4219431 .  
  22. ^ Chattopadhyay, S .; Хуанг, Ю.Ф .; Jen, YJ; Ganguly, A .; Чен, KH; Чен, LC (2010). «Антиотражающие и фотонные наноструктуры». Материаловедение и инженерия: R: Отчеты . 69 (1–3): 1–35. DOI : 10.1016 / j.mser.2010.04.001 . ISSN 0927-796X .