سوسکها، پرندگان، شب پره ها و ماهی ها نمونه هایی از موجودات زنده با خصوصیات رنگی شگفت انگیز هستند. سوسکهایی که با تغییر رطوبت، تغییر رنگ می دهند؛ سوسکهایی که با تغییر ساختار نانومتری در چندین رنگ یافت می شوند، سوسکهای فوق سفید ؛ سوسکهای جواهرات با پوشش رنگین کمانی؛ سوسکهایی که نور پلاریزه و غیرپلاریزه رنگ متفاوتی از آنها نشان می دهد و حتی سوسک هایی با سطوح خودتمیز شونده در بدنشان ؛ همه دارای ساختارهای منحصر به فردی هستند که با مطالعه و الگوبرداری از آنها می توان محصولات رنگی کاملا متفاوتی ایجاد نمود.
رنگ نانوساختاری سوسک ها، شب پره و پرندگان و ماهی ها
به عنوان یکی از موضوعات مورد بحث در نانوبیومایمتیکز حیف است که یک بخش کامل به سوسک ها و پرندگان، شب پره ها و ماهی ها اختصاص نیابد و به شگفتی های رنگی در گونه های مختلف آن ها اختصاص نیابد. سوسک هایی که با تغییر رطوبت، تغییر رنگ می دهند؛ سوسک هایی که با تغییر ساختار نانومتری، در چندین رنگ یافت می شوند، سوسک های فوق سفید و سوسک های جواهرات با پوشش رنگین کمانی و تنوع نانوساختارهای آن ها و سوسک هایی که نور پلاریزه و غیرپلاریزه، رنگ متفاوتی از آن ها نشان می دهد، قابل بررسی هستند. در بسیاری از سوسک ها خودتمیز شوندگی با داشتن یک سطح نانوساختار نهادینه شده است.
شکل 1: تنوع بالای رنگ ها در سوسک ها
شکل 2: تقسیم شدن (الف) پوست گونه سوسک لمپروسیپوس اگوستوس (ب) سر اردک که هم رنگ ساختاری دارد و هم رنگ پیگمنتی (ج) پشت مرغ مگس کالیپته آنا.
شاید اولین تشریح رنگ‌های ساختاری توسط ایزاک نیوتن ارائه داده شده باشد. در کتاب دوم نور، او پرهای زیبا و درخشنده قرقاول هندی را توصیف کرده که ناشی از تداخل نوری بخش شفاف و نازک پرها است. بعد از گذشت حدود 200 سال ، ظهور روابط ماکسول، پایه نظری بررسی رنگ های ساختاری را فراهم کرد و رنگ‌های برّاق مرغ مگس، پروانه ها و سوسک ها به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفت.
تا حدود 20 سال پیش تحقیق روی رنگ‌های ساختاری، اساساً با نیاز به روشن شدن مکانیزم فیزیکی نهفته در آن صورت گرفته بود. ریلیاین نظریه ای را دنبال می کرد که رنگ‌های برّاق مرغ مگس، پروانه، و سوسک ها در اثر تداخل چندلایه ای ایجاد شده اند. اندکی بعد از ریلیبانکرافت با استفاده از پدیده های اپتیکی مانند پراکنش، تداخل و تفرق، می توان افکت های رنگی روی حشرات، پرندگان، ماهی ها، سنگ های خاص و پدیده های طبیعی مانند غروب خورشید، رنگین کمان و رنگ آبی آسمان را شرح داد. ماسون هم رابطه بین ویژگی های ساختاری و رنگ در بسیاری از پرندگان و حشرات را تشریح کرد و روش هایی را به وجود آورد که بتوان رنگ های پیگمنتی و رنگ های ساختاری را وقتی در حشرات همزمان یا مجزا وجود دارند تشخیص داد. با این حال تشریح این پدیده ها وقتی کامل شد که میکروسکوپ های الکترونی کاربردی شدند.
ساختارهایی که در پرندگان رنگ های گوناگون ایجاد می کنند متنوع اند، اما همه ی آن ها بر اساس ساختار آرایه های منظم دانه های ملانین در بستر کراتین در شعبات فرعی هر پر ایجاد شده اند. برای مثال رنگ پرهای دم جنبانک و سایر پرندگان، از سیاه تیره به رنگی تغییر می یابد. در گونه های سیاه در شعبات پرهای تیره، ملانین با حالت خیلی فشرده وجود دارد، اما در گونه هایی با بال های رنگی دانه های ملانین در لایه های منظمی اطراف لبه شعبات هر پر دیده می شود. طیف سنجی؛ میکروسکوپ الکترونی عبوری و مدلسازی نوری، لایه های نازک این اطمینان را ایجاد کرد که رنگ حاصل در اثر همین لایه های منظم است.
شکل 3: سمت راست- طاووس پاوو کریستاتوس که پرهای دم را باز کرده. وسط- نمای نزدیک از پرهای دم طاووس. سمت چپ- دم جنبانک معمولی کویسکالوس کویسکولا .
نمونه دیگر تلفیق رنگی در ساختارهای طبیعی، بال های سبز تابان پروانه دم چلچله ای زمردین یا پاپیلیو پالینوروس است. سطح هر بال، آرایه دو بعدی منظمی می باشد از تورفتگی های کاوی که قطر آن ها 4 تا 6 میکرومتر و عمقشان 0.5 تا 3 میکرومتر است. هر تو رفتگی 10 واحد سلولی دارد که هر کدام از دو لایه مجزا تشکیل شده اند. نور زرد از لایه پایین و نور آبی از دیواره هر فرورفتگی منعکس می شود. این دو رنگ تلفیق شده و رنگ سبز را در نظر ایجاد می کنند.
مکانیزم پرطاووس برای انعکاس رنگ های جذاب و براق هم به دلیل نانوساختار ویژه آن می باشد. ساختار پر طاووس از دو مکانیزم برای تغییر رنگ استفاده می کند. یکی کنترل طول و دیگری کنترل تناوب لایه ها با تغییر ثابت، شبکه رنگ های مختلف را به وجود می آورد.
شکل 4: ساختار دندانه های پر طاووس (a) مقطع کناری قسمتی با رنگ سبز (b) سبز (c)قهوه ای (d) سطح مقطعی طولی از دندانه سبز رنگ
پوست سوسک ها درست مثل اپل ها می باشد. این ویژگی باعث شده است که پوست بسیاری از گونه-های سوسک رنگ درخشنده ای داشته باشند. علت این اثر رنگی، در برخی مواقع به علت تداخل در انعکاس برّاق و متالیک پوست الیترون (یا بال سخت شده) سوسک ژاپنیاست. در شکل 6، تصویر SEM لایه خارجی پوست سوسک های شاخدار را نشان می دهد که شامل ساختار چند لایه متناوب با رنگ های مختلف هستند و تنها با تغییرات ضخامت لایه های تشکیل دهنده ایجاد شده اند. از آن جا که الیترون ها صاف هستند و نظم کاملی دارند، رنگ های درخشنده رنگینی با درخششی پر برق به وجود می آیند.
شکل 5: رنگ های ساختاری با ساختارهای چند لایه متناوب در پوست دو نوع سوسک
شکل 6: تصویر SEM دو رنگ متفاوت از یک ساختار مشترک در دو گونه سوسک
شکل 7: تفاوت رنگ بال با توجه به نور قطبیده شده
در پوست سوسک های جواهرات، لایه های مارپیچی متشکل از میکروفیبریل های کیتین به موازات هم تشکیل شده اند. این لایه های میکروفیبریل موازی به جهت ویژگی خاص خود، ضریب شکست متفاوتی را در یک لایه خاص دارند که از ضریب شکست نور پلاریزه شده عمودی بزرگتر است. در نتیجه می توان رنگ-های متفاوتی از ساختار را بسته به جهت قطبیدگی نور مشاهده کرد. چنین انعکاس دهنده های زاویه ای گاهی "فیلترهای براگ دوار" نامیده می شود. کریستال های فوتونی طبیعی دیگر می توانند دو یا سه بعدی باشند، از این رو تشعشع سبز لمپروسیفول اوگوستوس که همیشه مستقل از زاویه دید است؛ به خاطر فلس های فرا اسکلتی با آرایش متفاوت تک کریستال های حوزه های میکرومتری با یک ساختار داخلی، شبیه به ساختار الماس است. باندگپ تقریباً به طور کامل با تلفیق فلس ها در سه چیدمان متفاوت ایجاد می شود. با این که شبکه پایه الماس، به شکل مصنوعی به صورتی مهندسی شده است تا در طول موج 1300 نانومتر عمل کند، ساختار طبیعی لاگوستوس تنها مثالی می باشد که در محدوده نور مرئی عمل می کند.
نمونه رنگ های طبیعی در سوسک ها با نام "رنگ های بدون رنگدانه" در خودروسازی شبیه سازی و تولید شده اند. در شکل 8 نمونه ای از این پیگمنت ها را مشاهده می کنید.
شکل 8: الهام از رنگ سوسک ها در پیگمنت های چند لایه و استفاده از آن در خودرو
سوسک سیفوچیلوس فلس هایی با ضخامت 5 میکرومتر دارد که از ساختاری متناوب در سه بعد تشکیل شده است. این سوسک ها ظاهری به رنگ سفید دارند.
تصویر 9: تصویر میکروسکوپ نوری از پوسته (الیترون) سوسک و تصویر الکترونی لبه یک قلس و تصویر میکروسکوپ TEM (نوار مقیاس در شکلها به ترتیب 1 میلیمتر (A) و 3 میلیمتر (B و C)-تصویر منشا رنگ سفید در سوسک سیفوچیلوس
شب پره ها، رنگ های قهوه ای و خاکستری تیره دارند. با وجود این، استثناهایی مثل شب پره اورانیا اسوالوتیل (اورانیا فولژنز) در آمریکا یا شب پره غروب ماداگاسکار یا چریسیریدیا ریفئوس وجود دارد. هر فلس از بال های شب پره 4 تا 5 لایه کیوتیکولی دارد که حدود 40 نانومتر ضخامت دارند و با میله های کیوتیکولی ریزی به هم متصل شده اند که باعث ایجاد حفره های هوای 100 نانومتری می شود. هم تغییر فواصل و هم ضخامت لایه کیوتیکل و وارد شدن پیگمنت های مختلف درون فلس ها، رنگ های مختلف را ایجاد می کند.
ساختارهای چندلایه ای متناوب با کریستال های گوانین (ماده ای آلی با ضریب شکست بالا) که در سیتوپلاسم (موادی با ضریب شکست پایین تر) از هم فاصله گرفته اند، کلید انعکاس نقره ای رنگ و پر تنوع بسیاری از ماهی ها می باشند. شکل 10، تصویر SEM کریستال های بیوژنیک جدا شده از پوست ماهی کوی را نشان می دهد. کریستال ها، شبه شش وجهی و نازک هستند و ضخامتشان بین 50 تا 150 نانومتر تغییر می-کند و حدود چند میکرومتر طول دارند.
قرار گرفتن سه یا چهار لایه متوالی ساختار چند لایه که هر کدام با یک جزء متفاوت از طیف نوری هماهنگ شده اند به انعکاسی در دامنه وسیع و انعکاس چند باندی منجر می شود. این می تواند دلیل ظاهر نقره ای بسیاری از ماهیان به خصوص شاه ماهی باشد. راه دیگر برای به دست آوردن ظاهر خاکستری، داشتن ساختار چند لایه با شمار زیادی از لایه ها است که در یک محدوده معین تغییرات ضخامتی تصادفی دارند و هر کدام از یک یا دو ماده ساخته شده ا که ضریب انعکاس متفاوتی دارد. این وضعیت در دو ماهی دم مویی و ماهی نواری دیده می شود. ماهی ها از اثر آینه برای استتار استفاده می کنند.
انعکاس براق و فلزی ماهی کوی با استفاده از کریستال های گوانین با منشاء حیاتی که از پوست زیر فلس های آن ها استخراج شده، کپی برداری می شود. کریستال های گوانین در محیط دی متیل سولفوکسید در آزمایشگاه هم رشد داده می شود. هر چند دو دسته کریستال شکل مشابهی دارند، اما کریستال های حیاتی در ضخامت جور دیگری هستند. این کریستال ها حدود 50 نانومتر ضخامت و وجوه کریستالی منظمی دارند، در-حالی که کریستال های رشد کرده در آزمایشگاه، خیلی نازک تر هستند و پله های نامنظمی دارند.
شکل 10: (الف) تصویر SEM کریستال زیستی جدا شده از پوست ماهی کوی (ب) رشد در محیط کریستال های گوانین بدون آن که از محلول غیر آبیDMSO کریستالیزه شده باشد. (ج) ارائه شماتیک مورفولوژی کریستال های بیوژنیک (د) SEMکه صفحات گوانین را ازپوست ماهی نشان می‌دهد.
همه رویکردهایی که درباره ی مهندسی تقلید از طبیعت بحث می کنند و تا کنون از آن ها صحبت شد، رنگ اولیه ایجاد شده توسط یک ساختار متناوب را تکرار می کنند. به تازگی تغییرات در رنگ های ساختاری که در برخی آبزیان (مانند دامسل فیش یا نئون تترا فیش)، اختاپوس، عروس دریایی، و سوسک ها در پاسخ به تغییرات محیطی اثبات شده، این ایده را ایجاد کرده است که تحقیقات مواد با الهام از طبیعت مانند کریستال های کلوییدی با رنگ های ساختاری به شکل زنده قابل تنظیم باشد. ساخت مواد کریستال فوتونیک با رنگ های ساختاری قابل تنظیم، از سه مکانیزم قابل بازگشت در رنگ های ساختاری فعال در طبیعت بهره می برد؛ تغییر در ضریب شکست؛ تغییر فاصله یک ساختار متناوب؛ و تغییرات در جهت تابش. برای مثال پوسته خارجی متخلخل برخی سوسک ها، ضریب شکست آن را با جذب آب تغییر می دهد. فاصله ساختار متناوب در سرپایان با تغییر در ضخامت صفحات پروتئینی (با متورم شدن) یا با تغییر فضای بین صفحات تنظیم می شود. تغییر زاویه صفحات، زاویه تابش نور را تغییر می دهد و طول موج انعکاسی دلخواه را ایجاد می کند. یکی از ساختارهای مصنوعی با قابلیت تنظیم رنگ به صورت فیلم های چندلایه با ضریب شکست بالا و پایین از جنس آلی و غیرآلی (سُل پیشماده اکسید تیتانیوم و محلول پلیمری) شکل گرفته است که در آن رنگ می تواند با فاصله بین لایه ای یا ضریب شکست تنظیم شود. چنین تغییراتی می توانند برای حسگرهای نورسنج، یا حسگرهای رطوبت، کشش و کشیدگی مفید باشند. در اوایل سال 1979 سوسکی به نام کریپتوگلواسا را گزارش شد که وقتی در رطوبت های مختلف قرار می گرفت تغییر رنگ می داد. این سوسک در رطوبت کم آبی کم رنگ بود و در رطوبت بالا سیاه می شد. تغییرات رنگی ناشی از فیلامنت های واکسی سطح کیوتیکل بود که از برآمدگی های کوچکی بیرون زده بودند. در رطوبت کم صحراها که آب اهمیت بالایی دارد این رشته ها جمع می شود و افت آب بدن را کم می کند و سرعت بالا رفتن دمای بدن را با افزایش میزان انعکاس تنظیم و کاهش می دهد.
همان طور که شکل 11 نشان می دهد، الیترا یا پوست در این گونه ها برآمدگی های مینیاتوری متعددی دارد. وقتی سوسک در بیابانی با رطوبت بالا باشد نوک هر برآمدگی باز می شود و ماده ای آمورف شبیه به خمیردندان از نوک آن ها ترشح می شود. این ساختار باعث انعکاس نور تابشی می شود و رنگ پشت را تیره می کند. در رطوبت پایین تراوش آمورف که از نوک برآمدگی ها بیرون آمده به شکل رشته های 140 نانومتری متعددی درمی آید و این فیلامنت ها با فیلامنت های برآمدگی های دیگر متصل می شوند و یک مش سبدی شکل تشکیل می دهند که میانگین قطر آن 20 میکرومتر است و کل پشت سوسک را پوشش می دهد. این شبکه سطحی، نور تابشی را انعکاس داده و مشخصاً نور آبی تولید می کند. آنالیز شیمیایی این الیاف از سطح آبی سوسک ها به حضور هیدروکربن های اشباع شده (عمدتاً با 20 تا 36 اتم کربن با زنجیره کربنی خطی) اشاره داشته است و کلسترول، الکل، اسیدهای چرب آزاد و پروتئین ها همگی شناسایی شده اند.
شکل 11: تصویر SEM از پشت الیترای سوسک-دو تصویر بالا برآمدگی ها در مقیاس میکرو را نشان می دهد و دو تصویر پایین تصویر در مقیاس نانومتری را نشان می دهد.
برآمدگی ها موادی واکسی دارند که کل پشت سوسک را می پوشاند و آن را ضد آب می کند. نوع پروتئین حاضر در ذات شیمیایی تعامل های لیپیدی–پروتئینی شناسایی نشده است. درصد پروتئین نقش مهمی در تغییرات مورفولوژی مشاهده شده در شرایط حاد رطوبتی دارد.
منابع:
نویسنده: حسن سلیمی (نویسنده اول) - کارشناسی ارشد - مهندسی نساجی - دانشگاه صنعتی امیرکبیر
رنگ نانوساختاری سوسک ها، شب پره و پرندگان و ماهی ها
به عنوان یکی از موضوعات مورد بحث در نانوبیومایمتیکز حیف است که یک بخش کامل به سوسک ها و پرندگان، شب پره ها و ماهی ها اختصاص نیابد و به شگفتی های رنگی در گونه های مختلف آن ها اختصاص نیابد. سوسک هایی که با تغییر رطوبت، تغییر رنگ می دهند؛ سوسک هایی که با تغییر ساختار نانومتری، در چندین رنگ یافت می شوند، سوسک های فوق سفید و سوسک های جواهرات با پوشش رنگین کمانی و تنوع نانوساختارهای آن ها و سوسک هایی که نور پلاریزه و غیرپلاریزه، رنگ متفاوتی از آن ها نشان می دهد، قابل بررسی هستند. در بسیاری از سوسک ها خودتمیز شوندگی با داشتن یک سطح نانوساختار نهادینه شده است.
شکل 1: تنوع بالای رنگ ها در سوسک ها
شکل 2: تقسیم شدن (الف) پوست گونه سوسک لمپروسیپوس اگوستوس (ب) سر اردک که هم رنگ ساختاری دارد و هم رنگ پیگمنتی (ج) پشت مرغ مگس کالیپته آنا.
تا حدود 20 سال پیش تحقیق روی رنگ‌های ساختاری، اساساً با نیاز به روشن شدن مکانیزم فیزیکی نهفته در آن صورت گرفته بود. ریلیاین نظریه ای را دنبال می کرد که رنگ‌های برّاق مرغ مگس، پروانه، و سوسک ها در اثر تداخل چندلایه ای ایجاد شده اند. اندکی بعد از ریلیبانکرافت با استفاده از پدیده های اپتیکی مانند پراکنش، تداخل و تفرق، می توان افکت های رنگی روی حشرات، پرندگان، ماهی ها، سنگ های خاص و پدیده های طبیعی مانند غروب خورشید، رنگین کمان و رنگ آبی آسمان را شرح داد. ماسون هم رابطه بین ویژگی های ساختاری و رنگ در بسیاری از پرندگان و حشرات را تشریح کرد و روش هایی را به وجود آورد که بتوان رنگ های پیگمنتی و رنگ های ساختاری را وقتی در حشرات همزمان یا مجزا وجود دارند تشخیص داد. با این حال تشریح این پدیده ها وقتی کامل شد که میکروسکوپ های الکترونی کاربردی شدند.
ساختارهایی که در پرندگان رنگ های گوناگون ایجاد می کنند متنوع اند، اما همه ی آن ها بر اساس ساختار آرایه های منظم دانه های ملانین در بستر کراتین در شعبات فرعی هر پر ایجاد شده اند. برای مثال رنگ پرهای دم جنبانک و سایر پرندگان، از سیاه تیره به رنگی تغییر می یابد. در گونه های سیاه در شعبات پرهای تیره، ملانین با حالت خیلی فشرده وجود دارد، اما در گونه هایی با بال های رنگی دانه های ملانین در لایه های منظمی اطراف لبه شعبات هر پر دیده می شود. طیف سنجی؛ میکروسکوپ الکترونی عبوری و مدلسازی نوری، لایه های نازک این اطمینان را ایجاد کرد که رنگ حاصل در اثر همین لایه های منظم است.
شکل 3: سمت راست- طاووس پاوو کریستاتوس که پرهای دم را باز کرده. وسط- نمای نزدیک از پرهای دم طاووس. سمت چپ- دم جنبانک معمولی کویسکالوس کویسکولا .
نمونه دیگر تلفیق رنگی در ساختارهای طبیعی، بال های سبز تابان پروانه دم چلچله ای زمردین یا پاپیلیو پالینوروس است. سطح هر بال، آرایه دو بعدی منظمی می باشد از تورفتگی های کاوی که قطر آن ها 4 تا 6 میکرومتر و عمقشان 0.5 تا 3 میکرومتر است. هر تو رفتگی 10 واحد سلولی دارد که هر کدام از دو لایه مجزا تشکیل شده اند. نور زرد از لایه پایین و نور آبی از دیواره هر فرورفتگی منعکس می شود. این دو رنگ تلفیق شده و رنگ سبز را در نظر ایجاد می کنند.
مکانیزم پرطاووس برای انعکاس رنگ های جذاب و براق هم به دلیل نانوساختار ویژه آن می باشد. ساختار پر طاووس از دو مکانیزم برای تغییر رنگ استفاده می کند. یکی کنترل طول و دیگری کنترل تناوب لایه ها با تغییر ثابت، شبکه رنگ های مختلف را به وجود می آورد.
شکل 4: ساختار دندانه های پر طاووس (a) مقطع کناری قسمتی با رنگ سبز (b) سبز (c)قهوه ای (d) سطح مقطعی طولی از دندانه سبز رنگ
پوست سوسک ها درست مثل اپل ها می باشد. این ویژگی باعث شده است که پوست بسیاری از گونه-های سوسک رنگ درخشنده ای داشته باشند. علت این اثر رنگی، در برخی مواقع به علت تداخل در انعکاس برّاق و متالیک پوست الیترون (یا بال سخت شده) سوسک ژاپنیاست. در شکل 6، تصویر SEM لایه خارجی پوست سوسک های شاخدار را نشان می دهد که شامل ساختار چند لایه متناوب با رنگ های مختلف هستند و تنها با تغییرات ضخامت لایه های تشکیل دهنده ایجاد شده اند. از آن جا که الیترون ها صاف هستند و نظم کاملی دارند، رنگ های درخشنده رنگینی با درخششی پر برق به وجود می آیند.
شکل 5: رنگ های ساختاری با ساختارهای چند لایه متناوب در پوست دو نوع سوسک
شکل 6: تصویر SEM دو رنگ متفاوت از یک ساختار مشترک در دو گونه سوسک
شکل 7: تفاوت رنگ بال با توجه به نور قطبیده شده
نمونه رنگ های طبیعی در سوسک ها با نام "رنگ های بدون رنگدانه" در خودروسازی شبیه سازی و تولید شده اند. در شکل 8 نمونه ای از این پیگمنت ها را مشاهده می کنید.
شکل 8: الهام از رنگ سوسک ها در پیگمنت های چند لایه و استفاده از آن در خودرو
سوسک سیفوچیلوس فلس هایی با ضخامت 5 میکرومتر دارد که از ساختاری متناوب در سه بعد تشکیل شده است. این سوسک ها ظاهری به رنگ سفید دارند.
تصویر 9: تصویر میکروسکوپ نوری از پوسته (الیترون) سوسک و تصویر الکترونی لبه یک قلس و تصویر میکروسکوپ TEM (نوار مقیاس در شکلها به ترتیب 1 میلیمتر (A) و 3 میلیمتر (B و C)-تصویر منشا رنگ سفید در سوسک سیفوچیلوس
شب پره ها، رنگ های قهوه ای و خاکستری تیره دارند. با وجود این، استثناهایی مثل شب پره اورانیا اسوالوتیل (اورانیا فولژنز) در آمریکا یا شب پره غروب ماداگاسکار یا چریسیریدیا ریفئوس وجود دارد. هر فلس از بال های شب پره 4 تا 5 لایه کیوتیکولی دارد که حدود 40 نانومتر ضخامت دارند و با میله های کیوتیکولی ریزی به هم متصل شده اند که باعث ایجاد حفره های هوای 100 نانومتری می شود. هم تغییر فواصل و هم ضخامت لایه کیوتیکل و وارد شدن پیگمنت های مختلف درون فلس ها، رنگ های مختلف را ایجاد می کند.
ساختارهای چندلایه ای متناوب با کریستال های گوانین (ماده ای آلی با ضریب شکست بالا) که در سیتوپلاسم (موادی با ضریب شکست پایین تر) از هم فاصله گرفته اند، کلید انعکاس نقره ای رنگ و پر تنوع بسیاری از ماهی ها می باشند. شکل 10، تصویر SEM کریستال های بیوژنیک جدا شده از پوست ماهی کوی را نشان می دهد. کریستال ها، شبه شش وجهی و نازک هستند و ضخامتشان بین 50 تا 150 نانومتر تغییر می-کند و حدود چند میکرومتر طول دارند.
قرار گرفتن سه یا چهار لایه متوالی ساختار چند لایه که هر کدام با یک جزء متفاوت از طیف نوری هماهنگ شده اند به انعکاسی در دامنه وسیع و انعکاس چند باندی منجر می شود. این می تواند دلیل ظاهر نقره ای بسیاری از ماهیان به خصوص شاه ماهی باشد. راه دیگر برای به دست آوردن ظاهر خاکستری، داشتن ساختار چند لایه با شمار زیادی از لایه ها است که در یک محدوده معین تغییرات ضخامتی تصادفی دارند و هر کدام از یک یا دو ماده ساخته شده ا که ضریب انعکاس متفاوتی دارد. این وضعیت در دو ماهی دم مویی و ماهی نواری دیده می شود. ماهی ها از اثر آینه برای استتار استفاده می کنند.
انعکاس براق و فلزی ماهی کوی با استفاده از کریستال های گوانین با منشاء حیاتی که از پوست زیر فلس های آن ها استخراج شده، کپی برداری می شود. کریستال های گوانین در محیط دی متیل سولفوکسید در آزمایشگاه هم رشد داده می شود. هر چند دو دسته کریستال شکل مشابهی دارند، اما کریستال های حیاتی در ضخامت جور دیگری هستند. این کریستال ها حدود 50 نانومتر ضخامت و وجوه کریستالی منظمی دارند، در-حالی که کریستال های رشد کرده در آزمایشگاه، خیلی نازک تر هستند و پله های نامنظمی دارند.
شکل 10: (الف) تصویر SEM کریستال زیستی جدا شده از پوست ماهی کوی (ب) رشد در محیط کریستال های گوانین بدون آن که از محلول غیر آبیDMSO کریستالیزه شده باشد. (ج) ارائه شماتیک مورفولوژی کریستال های بیوژنیک (د) SEMکه صفحات گوانین را ازپوست ماهی نشان می‌دهد.
همه رویکردهایی که درباره ی مهندسی تقلید از طبیعت بحث می کنند و تا کنون از آن ها صحبت شد، رنگ اولیه ایجاد شده توسط یک ساختار متناوب را تکرار می کنند. به تازگی تغییرات در رنگ های ساختاری که در برخی آبزیان (مانند دامسل فیش یا نئون تترا فیش)، اختاپوس، عروس دریایی، و سوسک ها در پاسخ به تغییرات محیطی اثبات شده، این ایده را ایجاد کرده است که تحقیقات مواد با الهام از طبیعت مانند کریستال های کلوییدی با رنگ های ساختاری به شکل زنده قابل تنظیم باشد. ساخت مواد کریستال فوتونیک با رنگ های ساختاری قابل تنظیم، از سه مکانیزم قابل بازگشت در رنگ های ساختاری فعال در طبیعت بهره می برد؛ تغییر در ضریب شکست؛ تغییر فاصله یک ساختار متناوب؛ و تغییرات در جهت تابش. برای مثال پوسته خارجی متخلخل برخی سوسک ها، ضریب شکست آن را با جذب آب تغییر می دهد. فاصله ساختار متناوب در سرپایان با تغییر در ضخامت صفحات پروتئینی (با متورم شدن) یا با تغییر فضای بین صفحات تنظیم می شود. تغییر زاویه صفحات، زاویه تابش نور را تغییر می دهد و طول موج انعکاسی دلخواه را ایجاد می کند. یکی از ساختارهای مصنوعی با قابلیت تنظیم رنگ به صورت فیلم های چندلایه با ضریب شکست بالا و پایین از جنس آلی و غیرآلی (سُل پیشماده اکسید تیتانیوم و محلول پلیمری) شکل گرفته است که در آن رنگ می تواند با فاصله بین لایه ای یا ضریب شکست تنظیم شود. چنین تغییراتی می توانند برای حسگرهای نورسنج، یا حسگرهای رطوبت، کشش و کشیدگی مفید باشند. در اوایل سال 1979 سوسکی به نام کریپتوگلواسا را گزارش شد که وقتی در رطوبت های مختلف قرار می گرفت تغییر رنگ می داد. این سوسک در رطوبت کم آبی کم رنگ بود و در رطوبت بالا سیاه می شد. تغییرات رنگی ناشی از فیلامنت های واکسی سطح کیوتیکل بود که از برآمدگی های کوچکی بیرون زده بودند. در رطوبت کم صحراها که آب اهمیت بالایی دارد این رشته ها جمع می شود و افت آب بدن را کم می کند و سرعت بالا رفتن دمای بدن را با افزایش میزان انعکاس تنظیم و کاهش می دهد.
همان طور که شکل 11 نشان می دهد، الیترا یا پوست در این گونه ها برآمدگی های مینیاتوری متعددی دارد. وقتی سوسک در بیابانی با رطوبت بالا باشد نوک هر برآمدگی باز می شود و ماده ای آمورف شبیه به خمیردندان از نوک آن ها ترشح می شود. این ساختار باعث انعکاس نور تابشی می شود و رنگ پشت را تیره می کند. در رطوبت پایین تراوش آمورف که از نوک برآمدگی ها بیرون آمده به شکل رشته های 140 نانومتری متعددی درمی آید و این فیلامنت ها با فیلامنت های برآمدگی های دیگر متصل می شوند و یک مش سبدی شکل تشکیل می دهند که میانگین قطر آن 20 میکرومتر است و کل پشت سوسک را پوشش می دهد. این شبکه سطحی، نور تابشی را انعکاس داده و مشخصاً نور آبی تولید می کند. آنالیز شیمیایی این الیاف از سطح آبی سوسک ها به حضور هیدروکربن های اشباع شده (عمدتاً با 20 تا 36 اتم کربن با زنجیره کربنی خطی) اشاره داشته است و کلسترول، الکل، اسیدهای چرب آزاد و پروتئین ها همگی شناسایی شده اند.
شکل 11: تصویر SEM از پشت الیترای سوسک-دو تصویر بالا برآمدگی ها در مقیاس میکرو را نشان می دهد و دو تصویر پایین تصویر در مقیاس نانومتری را نشان می دهد.
منابع:
کد:
[COLOR=#3C3D35][FONT=nassim]
[/FONT][/COLOR][LEFT]1. J. m. Benyus, Innovation inspired by nature Biomimicry, J. ECOS, No 129, 2006.
2. A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291
3. L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.
4. NatureTech Technology, video, part 1&2&3.
5. H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.
6. D. Lee, Nature’s palette: the science of plant colors, Univer¬sity of Chicago Press, Chicago, IL, USA (2007).
7. W.D. Bancroft, The colors of colloids. VII, J Phys Chem 23 (1919), 365–414.
8. H. Ghiradella, Light and color on the wing: structural colors in butterflies and moths, Appl Opt 30 (1991), 3492–3500.
9. K. Kumazawa and H. Tabata, Time-resolved fluores¬cence studies of the wings of Morpho sulkowskyi and Papilio xuthus butterflies, Zool Sci 13 (1996), 843–847.
10. A.L. Ingram and A.R. Parker, A review of the diversity and evolution of photonic structures in butterflies, incorporating the work of John Huxley (The Natural History Museum, London, from 1961 to 1990), Phil Trans R Soc Lond B 363 (2008), 2465–2480.[/LEFT]
[COLOR=#3C3D35][FONT=nassim]
[/FONT][/COLOR]نویسنده: حسن سلیمی (نویسنده اول) - کارشناسی ارشد - مهندسی نساجی - دانشگاه صنعتی امیرکبیر
