深入自然:光学与光子学

这是摘自点击《自然》报道，由水龟亮绿。

控制光的捕获和发射在生物和工业中都是一项重要的功能。光的操纵——即光子学——包括光的产生、探测、吸收、散射和处理。

照明空间、吸收阳光和光学传输数据对当今的经济至关重要。光子学领域的创新，包括那些受自然启发的创新，使先进材料、建筑系统、电子、医疗保健和电信等行业的企业得以创造和驱动当今的许多产品。由于能源成本不断上升，这些产品的效率对它们在市场上的成功、消费者的运营成本和制造商的竞争力至关重要。

选择的策略

光吸收

许多动物和植物使用材料和纳米结构来确保光线被吸收。他们提供了吸收宽光谱或窄光谱的纳米级设计蓝图，这在制造抗反射表面以提高太阳能电池效率时很重要。

受生物启发的纳米尺度几何结构创造了抗反射表面，与非结构表面相比，允许更多的光线在材料之间转换。这一策略的一个显著应用是提高商业太阳能电池的光吸收的增反射膜。这些薄膜模仿蛾子眼睛的低反射。

光反射

光的反射对于许多视觉信号和数据通信技术都很重要，包括交通标志和道路标记、光谱学设备的反射表面、平板显示器和led的反光镜，以及许多重要的工业过程。在生物体中，材料的堆积或同心圆堆积通常会产生反射表面。

热带水果Margaritaria nobilis种子的彩虹状分层细胞结构激发出一种光子纤维，当拉伸时可以反射出不同的颜色。该纤维可用于广泛的应用，包括机械故障的视觉检测。使用这种策略的其他技术正在开发中，以创造不依赖于化学颜料的结构色彩。

光指导

光可以被一种材料引导，而不是简单地吸收和反射。许多商用光学设备，如IRLens，都是基于眼睛结构如何引导光线。精确地引导可见光对光学芯片技术尤为重要，它可以取代传统的电子芯片，实现更快的数据传输。

光可以被一种材料引导，而不是简单地吸收和反射。

某些生物材料，如彩虹甲虫壳和海海绵，为新型导光装置制造技术提供了灵感。虽然到目前为止还没有商业化的光子产品，但生物激发的光子结构将允许在未来的光电设备中操纵和引导光。

现有产品

抗反射膜

夜行性蛾子的眼睛能吸收大量的光线，使它们在光线很弱的情况下也能看见东西。它们眼睛中的纳米级结构有利于直接入射光，以增加昆虫的光敏感性，并减少外部反射，食肉动物可见。

一个特殊的组成部分负责这种敏感性，“飞蛾眼”结构，覆盖了眼睛的微米大小的层面，作为一个抗反射涂层。长冈大学的研究人员模拟了这种结构，为现有的太阳能电池板开发了飞蛾眼薄膜。美国的研究人员已经开发出了在太阳能电池生产过程中融入飞蛾眼纳米结构的制造技术。研究人员已经证明，抗反射飞蛾眼薄膜将入射光子转化为可用电能的速度提高了5- 10%，这对于任何太阳能电池技术来说都是一个可喜的进步。

IRLens

只加热基本空间，而不是整个房间，使设施能够减少能源需求。的热区辐射加热器中的红外透镜用在龙虾、小龙虾和小虾眼睛里看到的相同原理——将光线聚焦在特定区域——来引导红外线。在投入100万美元商业化后，这项技术被授权给谢弗通风公司。得益于该设备的仿生镜片，能源成本可以降低50%甚至更多。热区加热器的效率是常规点加热技术的两倍，为需要加热的地区提供85%的能源。

产品在开发中

红外光学传感器

当光线与大闪蝶的纳米和微尺度翅膀结构相互作用时，它们的翅膀就会产生鲜艳的彩虹色。翅膀由几丁质(一种丰富的生物聚合物)构成的鳞片组成，每个鳞片都支撑着一系列微小的平行脊线。每个单个脊的横截面显示出分枝的、周期性的纳米级结构。通用电气公司全球研究确定了刻度对热能的变化有光学反应。红外光子的吸收和随后由几丁质转化为热能导致纳米结构的膨胀;这种物理变化导致翅膀的彩虹色发生明显变化。速度和灵敏度的翅膀鳞片反应IR光子之前是无法达到的制造热传感器。

基于大蝶翅膀纳米结构的新型热传感器正在被开发，不仅可以提高响应速度和热灵敏度，而且可以减小它们的像素大小。对自然界中光子结构的持续研究可能会激发新一代的传感器技术。