Сайт переехал physreal.com

science
Знания, не рождённые опытом, бесплодны и полны ошибок.
Леонардо да Винчи



Copyleft © 2004 - 2024
physics.com.ua

Электронный web-журнал Physics.com.ua

Научные исследования и технические разработки по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика. Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки. Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.

Контакты Главная | Стартовая | Избранное | Поиск
 

Потеря пароля | Регистрация

   
БАК остро нуждается в детекторах для фиксирования элементарных частиц
Высадка космонавтов на Луну будет осуществлена, в лучшем случае, в 2033–2034 годах
Гранты для обучения в аспирантуре по естественным наукам в Германии (программа SALSA)
Видео. Поиск редких процессов на коллайдерах
Пьезо-оптомеханический преобразователь связывает звук, свет и радио
Программу Наноконструктор проекта nanoModel можно скачать бесплатно
VII Международная школа-конференция молодых ученых и специалистов - Современные проблемы физики 2016
Ученые получили температуру ниже абсолютного нуля
С 10-го по 21-е сентября администрация уходит в отпуск

  Новости  
  Новости физики  
  Науку делают люди  
  Гранты, олимпиады, конкурсы и стипендии  
  Знаете ли Вы что...  
  Приборы, научно-технические разработки  
  Программные продукты  
  Конференции, семинары, школы и форумы  
  Физики шутят  
  Новости нашего журнала  
  Экспорт данных в формате RSS  
  Материалы  
  Каталог научных статей  
  Банк рефератов  
  Блог  
  PACS  
  Исторический календарь  
  Нобелевские лауреаты  
  Голосования и опросы  
  Информационные партнёры  
  Полезные ссылки  
  Палата мер и весов  
  Технические требования к предоставляемой информации  
rss2email
Новости электронного web-журнала Physics.com.ua




Рассылки Subscribe.Ru
Лента "Новости электронного web-журнала Physics.com.ua"
  Голосования и опросы  
 

Глобальное потепление - это...

результат неконтролируемого загрязнения атмосферы
результат естественного изменения климата
кто-то его незаметил
средство наживы для экологических организаций



Всего голосов: 2729
Комментариев: 3

 
  Статистика  
 
Яндекс цитирования Rambler's Top100

 
  Реклама  
 

 
 
НОВОСТИ




Экспорт новостей в формате RSS по выбранным категориям

2012-11-17 09:06:25, обсуждение: 0
НОВОСТИ ФИЗИКИ | НАНОТЕХНОЛОГИИ

Наноструктуры в природе. Секреты синей птицы

Биологические пигменты, которые избирательно рассеивают, поглощают и отражают свет определённых длин волн, создают разнообразную окраску птичьих перьев. Например, каротиноиды дают яркие жёлтые, оранжевые, красные цвета, а меланин – коричневые, чёрные. Но синего пигмента у птиц нет! Герои знаменитой пьесы Метерлинка так и не смогли найти настоящую “Синюю птицу”...

И всё же оперение такого цвета существует. Исследователи из Yale Univ. (США) [1] показали, что яркая синяя, голубая, бирюзовая окраски обусловлены 3D биофотонными наноструктурами, состоящими из белка β-кератина и воздуха (рис. 1). Эти губчатые наноструктуры находятся в центральной части бородок, отходящих от стержня пера (рис. 2 и рис. 5 B,C).

Рис. 1. a – Ширококлюв серогрудый; b – голубая сиалия; c – котинга сливогорлая.
d-f – Соответствующие ТЕМ фотографии наноструктур бородок
(светлые изображения – воздух, тёмные – кератин):

d
– серо-голубых перьев, е – синих, f – бирюзовых. g-i – Данные SAXS.

Шкала: d – 250нм; e,f – 500нм, g-i – 0.05 нм-1.

Рис. 2. Структура птичьего пера. От центрального стержня отходят бородки (от них, в свою очередь, бородочки) из кератина.

 

В природе существуют различные кристаллоподобные и аморфные биофотонные наноструктуры – одно-, двух- и трёхмерные (рис. 3). Интерференция, дифракция и рассеяние света на элементах этих наноструктур приводят к появлению так называемой “структурной” окраски (см., например, [2]). Один из наиболее известных примеров подобных структур – опал. В опале сферы SiO2 (размерами от 200 до 1000 нм) образуют ГЦК-решетку. Она и создаёт великолепную радужную окраску. В отличие от этого примера синяя окраска птичьих перьев, вызванная аморфными наноструктурами, имеющими ближний порядок, не радужная. Цвета не меняются в зависимости от угла наблюдения (при естественном освещении). Яркие не радужные структурные краски оперения – важная часть фенотипа птиц.

Рис. 3. Классификация биофотонных наноструктур [1]:
a, b, c – кристаллоподобные (биофотонные кристаллы), дальний порядок; разные цвета соответствуют областям с разными показателями преломления n;

d, e, f – аморфные биофотонные наноструктуры, ближний порядок (d – для птиц пока не обнаружено);

ТЕМ изображения: е – сечения параллельных коллагеновых волокон зелёного языка великолепной райской птицы, f – наноструктуры из β-кератина и сферических включений воздуха лазурного пера пипры синеголовой.

 

Авторы [1] с помощью методов малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) с использованием синхротронного излучения, электронной микроскопии и спектрофотометрии охарактеризовали наноструктуры и оптические свойства 297 синих перьев разного оттенка (230 птиц из 163 родов, принадлежащих 51 семейству). Образцы были взяты из музеев США и Великобритании. Измерения SAXS позволили получить количественную информацию о двух основных типах аморфных биофотонных наноструктур и подтвердили существование изотропного ближнего порядка. Пространственное варьирование показателя преломления n приводит к значительному усилению узкой полосы длин волн.

Рис. 4. Схема SAXS экспериментов (размер образца ~ 50 мм2).

Наноструктура первого типа состоит из сложного переплетения палочек кератина и каналов, заполненных воздухом (рис. 1е). Структура второго типа – квазиупорядоченная плотная упаковка заполненных воздухом сферических полостей, разделённых стенками из кератина (рис. 1f, 3f). Кроме того, с помощью SAXS авторы [1] идентифицировали новый класс рудиментарной наноструктуры, создающей синевато-серый и серо-голубой структурные цвета (рис. 1d).

Исследователи выдвинули гипотезу о формировании наноструктур путём самосборки при разделении фаз в процессе образования пера. При полимеризации β-кератин начинает отделяться от цитоплазмы клетки, цитоплазма постепенно высыхает, и пустоты заполняются воздухом. Но почему этот процесс прекращается именно тогда, когда формируется “нужная” для яркой окраски наноструктура? Для выяснения механизма самосборки потребуются дальнейшие исследования.

Авторы работы также изучили случаи комбинированной окраски, когда наряду с наноструктурой присутствует пигмент. Благодаря их взаимодействию возникают новые цвета, которые не могут быть объяснены наличием только пигмента или только определённой наноструктуры.

Конечно, механизмы возникновения структурных цветов изучают не только для того, чтобы разобраться в эволюции птиц. Это важно для разработки новых фотонных материалов. Учёные из Китая и США (в том числе Э. Яблонович, создатель первого искусственного фотонного кристалла “яблоновит”), сумели раскрыть некоторые секреты синей птицы [3]. Они изучили структурные и оптические свойства синего пера попугая Ara macao (алого макао) и выяснили, что губчатая структура бородки очень похожа на структуру “аморфных алмазоподобных фотонных кристаллов” (то есть фотонных материалов с тетраэдрической координацией элементов как в решетке алмаза, но имеющих только ближний порядок), рис. 5.

Рис. 5. А – Микрофотография бородок синего пера алого макао.
В – Сечение бородки (х100). С –
SEM изображение сечения бородки.
D
SEM изображение губчатой структуры кератина.
E
– изображение модельной структуры.
Экспериментальный и теоретический спектры отражения.
Фотография алого макао.

По данным SEM бородка состоит из соединённых на концах цилиндрических палочек кератина длиной около 170 нм и диаметром 85 нм (в местах соединений диаметр равен 120 нм). Авторы сконструировали модель на базе идеального аморфного кремния с тетраэдрической структурой ближнего порядка, заменив атомы на “палочки” реальных размеров. Изображение модельной структуры приведено на рис. 5E. Видно, что структура кератина (рис. 5D) поразительно на неё похожа. Рассчитанный для модели и экспериментальный спектры отражения тоже практически совпали (рис. 5).

По данным SEM объёмная доля кератина в бородке составляет 38%. Оказывается, это не случайность, а удивительная структурная оптимизация, достигнутая в процессе эволюции! Модельные расчёты [3] подтверждают, что отражательная способность максимальна именно при этой величине и быстро падает как при росте, так и при снижении доли кератина. Наноструктура бородки пера попугая приводит к возникновению изотропной фотонной псевдо-запрещённой зоны с центром 478 нм, которая даёт яркую, не радужную синюю окраску.

По мнению учёных [3], разгаданная ими наноструктура может послужить основой для синтеза различных фотонных материалов. Действительно, их расчёты показывают, что замена кератина (n = 1.58) на материалы с показателями преломления n > 2.3 (при оптимизации объёмной доли “палочек” для каждого n) приводит к переходу от изотропной псевдо-запрещённой зоны к изотропной полной запрещённой зоне в видимом или ИК-диапазонах. У аморфных фотонных наноструктур обоих типов может оказаться много интересных, даже необычных оптических свойств, важных для создания новых приборов.

О.Алексеева

1. V.Saranathan et al., J. R. Soc. Interface 9, 2563 (2012).

2. Г.Е. Кричевский, Химия и жизнь №11, c. 15 (2010).

3. H.Yin et al., PNAS 109, 10798 (2012).

 


ПЕРСТ



БАК остро нуждается в детекторах для фиксирования элементарных частиц
Эффект рождения гидродинамических потоков от ультразвуковых волн
Создан безмагнитный кремниевый циркуляционный чип для диапазона миллиметровых волн
Физики из Национального института стандартов и технологий (США) добились одновременной квантовой запутанности сразу 219 ионов бериллия (9Be+)
Новый метод получения пучка спин-поляризованны позитронов
Поврежденная структура графена способна к самовосстановлению
Уменьшение верхнего критического поля в недодопированных купратных ВТСП
Большой адронный коллайдер может превратиться в самый точный в мире секундомер
Установлен новый мировой рекорд для ширины диапазона излучения (до 100 нм!) одиночного полупроводникового лазера
Стипендии для молодных ученых