Le tecnologie bioispirate

Le tecnologie bioispirate
Dalle antiche civiltà ad oggi, l’uomo ha sempre tratto ispirazione dal
mondo naturale. Gli insetti, gli animali e le piante hanno fornito
modelli per la realizzazione di opere d’arte, di ingegneria ed
architettura. Oggi sono il prototipo per la costruzione di sofisticati
robot e per l’invenzione di nuovi materiali.
Tela del ragno
Ninfea
Farfalla
Le Farfalle
Polyommatus marcidus
Polyommatus daphni
L'insetto che ha raccolto il maggior numero
di studi è la farfalla: la maggior parte dei
Lepidotteri ha infatti ali variopinte a causa
di effetti di interferenza e diffrazione come
quelli dei cristalli fotonici, piuttosto che di
pigmenti. Uno dei ruoli più particolari di
queste nanostrutture è quello della
regolazione termica. In un articolo del
2003,L. P. Birò e altri studiosi, nella rivista
scientifica The American Physical Society,
hanno tentato di verificare un'ipotesi sul
differenziamento cromatico di farfalle molto
simili come la Polyommatus marcidus e la
Polyommatus daphni.
I cristalli fotonici
Def : Un cristallo fotonico è una struttura dielettrica periodica caratterizzata da un band gap fotonico(PBG)
PBG: intervallo di frequenze alle quali non è consentitala propagazione all’interno del mezzo
I cristalli fotonici sono una classe di materiali avanzati dalle molteplici risorse e possibilità di impiego
futuro nei campi più disparati.
Possono essere considerati l'analogo ottico dei semiconduttori: in essi la presenza di un potenziale
periodico, quale la successione ordinata di atomi che caratterizza il cristallo, provoca la formazione di
bande energetiche elettroniche separate da intervalli proibiti, in cui non sono presenti stati elettronici;
in un cristallo fotonico una successione periodica di dielettrici (isolanti elettrici) a diverso indice di
rifrazione, causa la formazione di un cosiddetto energy gap fotonico: fotoni con valori energetici
interni alla gap proibita non potranno attraversare il cristallo e saranno riflessi o confinati all'interno
dello stesso. L' effetto è tanto più evidente quanto la differenza tra gli indici di rifrazione risulta elevata.
La realizzazione di simili materiali è molto complessa: infatti, analogamente ai difetti nei
semiconduttori, rotture di periodicità all'interno dei cristalli fotonici localizzano degli stati permessi nella
gap proibita; tale effetto può essere voluto per la costruzione di particolari dispositivi, ma in generale
provoca una perdita di efficienza del sistema. La sintesi di cristalli fotonici non è però un brevetto
dell'uomo: da miliardi di anni la natura produce questi materiali e da milioni di anni ne fa un uso
oculato per proteggere la vita nelle sue forme più disparate.
“Cristalli fotonici naturali”
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Esistono in natura numerosi esempi di strutture fotoniche.
I sistemi biologici producono effetti ottici impiegando architetture multistrato in
scala nanometrica.
Il colore non è prodotto da pigmenti, ma ha origine dalla riflessione o
dall’assorbimento di una banda di lunghezze d’onda a causa delle
microscopiche strutture reticolari di cui è costituita la superficie: struttura a
microlenti per focalizzare la luce nei cloroplasti o rifletterla in condizioni di
eccessivo irraggiamento. La presenza di un band gap fotonico non completo
genera fenomeni di iridescenza.
1D, 2D, 3D
I cristalli fotonici possono assumere una
configurazione monodimensionale (fig. b),
bidimensionale (fig. c) o tridimensionale (fig. d), a
seconda di come vengano costruiti. Mentre la fig.
a rappresenta la struttura dell'ala di una farfalla.
Periodicità in 1, 2 e 3 direzioni
1-D
2-D
3-D
Impiego dei cristalli
fotonici
I semiconduttori elettronici hanno rappresentato la base portante della
rivoluzione informatica che abbiamo vissuto negli ultimi anni e di cui ancora oggi
avvertiamo gli effetti: la dimensione delle tecnologie si è ridotta con la
miniaturizzazione dei suoi componenti essenziali. Il successo della moderna
microelettronica è dovuto proprio alla capacità di integrazione, sullo stesso chip,
di molteplici elementi quali CPU, interfacce e memorie. La proprietà più
importante dei cristalli fotonici è proprio quella di permettere l’interazione tra la
luce e la struttura stessa del mezzo su una scala di poche lunghezze d’onda,
riducendo enormemente le dimensioni dei singoli componenti (fino a 106 volte
rispetto ai generici componenti integrati ottici). Importante impulso si è avuto
anche nel campo delle sorgenti dove, grazie all’utilizzo dei cristalli fotonici come
elementi attivi dei LED, si è scoperto come sia possibile eliminare l’emissione
spontanea che si genera al loro interno, per mezzo della band gap fotonica.
Inoltre trovano ampia applicazione nella fabbricazione di rivestimento anti
riflesso (comune sia nelle lenti degli occhiali che negli obiettivi fotografici).
1)Antiriflesso
Il trattamento antiriflesso viene realizzato su di una lente al fine di ridurre le immagini
disturbanti che si formano per la riflessione dalle sue superfici.Le immagini possono
essere generate da radiazioni provenienti da sorgenti posizionate o dietro o davanti la
lente.
Questo trattamento, anche se multistrato, non può eliminare completamente tutte le
lunghezze d'onda riflesse dalla lente ed è per questo motivo che le lenti trattate
presentano comunque una colorazione residua di colore blu-verde come la farfalla.
occhiali senza antiriflesso
occhiali con antiriflesso
Poiché l'intensità delle immagini riflesse aumenta all'aumentare
dell'indice di rifrazione del materiale della lente il trattamento
antiriflesso diventa importante al fine di ottenere:
•Aumento della brillantezza.
• Miglior definizione dell'immagine per
aumentato contrasto.
• attenuazione delle immagini fantasma
riflesse.
• Maggior continuità del livello di
prestazione in quanto l'attività percettiva è
meno disturbata dalle immagini fantasma.
• Riduzione degli inestetismi legati alle
riflessioni generate dalla superficie
anteriore della lente.
2) ANTI-CONTRAFFAZIONE
La struttura lamellata delle ali è stata studiata anche come modello nello
sviluppo di costruzione delle tecnologie di anti-contraffazione delle valute e
carte di credito.
Con l'obiettivo di cogliere le differenze tra le due
specie citate alla diapositiva n. 2 (la
Polyommatus marcidus e la Polyommatus
daphni), le ali delle due farfalle sono state
osservate al microscopio ottico; le squame alari
della prima presentano una struttura nanometrica
in corrispondenza delle regioni colorate di blu e
di viola, struttura completamente assente nella
seconda. La struttura della prima ha un
comportamento di tipo fotonico nonostante non
manifesti un ordine a lungo raggio: si ha un
energy gap in un materiale amorfo, del tutto
simile a quella del silicio; la forma e la
dimensione media dell'unità nanometrica detta le
condizioni della gap fotonica: celle più circolari e
ridotte portano a riflessione del violetto, mentre
celle ovali e più grandi riflettono il blu. La
differenza tra ali nanostrutturate e non viene
evidenziata anche da misure di riflettanza: nel
grafico i due spettri sono stati sottratti e si nota
un picco di riflessione nel blu-verde assente nelle
ali marroni. Si puo notare l'estrema flessibilità di
questo tipo di struttura, le cui proprietà possono
essere variate secondo necessità modificando
alcuni dei parametri del materiale.
Grafico delle lunghezze d’onda rifratte
dalle ali di farfalla.
L'ipotesi sulla funzione della diversa morfologia
delle scaglie alari delle farfalle delle due specie
riguarda la termoregolazione. Essendo le
farfalle, come tutti gli insetti, animali a sangue
freddo, la capacita di assorbire la luce solare
per il proprio riscaldamento è fondamentale per
la sopravvivenza, soprattutto ad alta quota:
ecco che le farfalle meno riflettenti, quelle
marroni, sono più adatte alla vita sui monti e
riescono a riprodursi e trasmettere il proprio
corredo cromosomico. Allo stesso modo è vero
il fatto che le farfalle blu, nanostrutturate, che
effettivamente sono più complesse, possano
essere un'evoluzione delle più semplici, le
marroni; le farfalle, a bassa quota, potrebbero
aver avuto bisogno di una miglior sistema di
“raffreddamento”
per
non
raggiungere
temperature troppo elevate: ecco che per
colonizzare le pianure le farfalle avrebbero
sviluppato la struttura fotonica come mezzo di
difesa. Fatto reale e comprovato è l'effettivo
maggior riscaldamento per assorbimento
luminoso subito dalle ali marroni.
Struttura reticolare delle ali
delle farfalle
LA FARFALLA MORPHO BLU
I colori metallici sgargianti dal blu al verde di questo insetto, che vive soprattutto in Sud
America, non sono il risultato di pigmenti ma un esempio di iridescenza. Le
microscopiche lamelle che coprono le sue ali, riflettono la luce agli strati successivi,
portando ad effetti di interferenza che dipendono sia dalla lunghezza d’onda sia
dall’angolo di incidenza. Dunque i colori prodotti variano con l’angolo di osservazione, ma
sono comunque uniformi, forse grazie alla disposizione a struttura di tetraedro (simile al
diamante) o alla diffrazione dagli strati di copertura della cellula.
3) IMPERMEABILITA’
Le ampie ali della farfalla sono fatte di chitina. Questo
polisaccaride di struttura le rende estremamente leggere,
ma al contempo molto resistenti. La particolare
disposizione della lamelle a tetraedro le rende non solo un
cristallo fotonico naturale ma anche IMPERMEABILI alle
violente piogge tropicali.
La GORE-TEX®, azienda leader
nel settore dell’abbigliamento e
delle calzature per l’invenzione
del primo tessuto impermeabile
traspirante, è stata ispirata per
molte delle sue creazioni dal
mondo
naturale.
Per
la
realizzazione della sua nuova
linea di abbigliamento ha preso
ispirazione proprio da questa
caratteristica della Morpho Blue. I
capi,
infatti,
sono
leggeri,
traspiranti,
impermeabili
e
facilmente ripiegabili proprio
come le ali della farfalla, ma a
differenza di queste, presentati in
diversi colori.
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Altri esempi di cristalli in
natura
Opale:
La versione più antica del cristallo fotonico è
sicuramente l'opale, minerale di silice amorfa
idrata formato per lentissima deposizione
geologica di un gel colloidale a bassa
temperatura; l'effetto fotonico crea stupendi
giochi di colori e iridescenze, che variano con
l'angolo di osservazione e con le caratteristiche
della roccia. La variazione di indice di rifrazione
è piuttosto ridotta per cui il gap energetico è
stretto.
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Pavone:
Un esempio tra gli animali odierni è il
pavone, le cui nanostrutture chitinose
presenti nelle penne della coda assumono
riflessi verdi, blu o dorati e creano motivi
simili a grandi occhi.
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Topo di mare:
Altro animale importante è il topo di mare, o
Afrodita aculeata, un mollusco peloso che
striscia sui fondali da 1 a 2000m di
profondità; la peluria che lo ricopre appare
molto simile alle nostre fibre ottiche.
L'iridescenza anche in questo caso è
attribuibile alle nanostruttura della peluria;
lo stesso vale per gli aculei: ognuno di essi
assume una colorazione rosso carminio se
illuminato perpendicolarmente all'asse della
fibra, mentre un diverso angolo di incidenza
provoca una dispersione delle lunghezze
d'onda ed un effetto straordinario; nel primo
caso in direzione perpendicolare la sola
luce rossa viene espulsa dal cristallo,
mentre nel secondo agisce l'effetto di
differenti band gap in diverse direzioni
cristallografiche.
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Coleotteri:
Un particolare coleottero del Brasile,
il Lamprocyphus augustus, presenta
una
brillante corazza verde con
riflessi giallo dorati che richiama la
presenza di cristalli fotonici; le
nanoparticelle che compongono le
scaglie, disposte in una struttura a
diamante, ma di maggiori dimensioni
rispetto a quella atomica, si sono
rivelati essere un materiale di sintesi
inaccessibile all'uomo con le attuali
tecnologie: questa struttura ideale
sarà usata come modello per la
teorizzazione e creazione di nuovi
cristalli fotonici.
SITOGRAFIA essenziale
▲ L. P. Biro et al. - Role of photonic-christal-type
structures in the thermal regulation of a Lycaenid
butterfly sister species pair - 2003 – The American
Physical Society
▲ N. Y. Ha & J. W. Wu – Fabrication and Optical
Characterization of 3-D Polystyrene Colloidal Photonic
Crystal – 1, Jul 2004 – Journal of the Korean Physical
Society
▲ University of Utah – Brazilian Beetle Lights the Way
for Optical Computers of the Future – 21, May 2008 –
http://www.nano.org.uk
▲ http://www.wikipedia.org
▲ http://digidownload.libero.it/scienza_in_gioco/Archivio/Francesco%20Massimino%20-%20Cristalli%20Fotonici.pdf
Realizzato da :
Donati Stella
Faggella Federico
Gaiba Stefano
Venturi Valentina
Classe 2^B
Liceo classico Torricelli
Interferenza
E’ un fenomeno ottico dovuto alla sovrapposizione, in un
punto dello spazio, di due o più onde. Quello che si osserva è
che l'intensità dell'onda risultante in quel punto può essere
diversa rispetto alla somma delle intensità associate ad ogni
singola onda di partenza; in particolare, essa può variare tra
un minimo, in corrispondenza del quale non si osserva alcun
fenomeno ondulatorio, ed un massimo coincidente con la
somma delle intensità. In generale, si dice che l'interferenza è
' costruttiva ' quando l'intensità risultante è maggiore rispetto a
quella di ogni singola intensità originaria, e ' distruttiva ' in
caso contrario
Diffrazione
E’ un fenomeno fisico associato alla deviazione della
traiettoria delle onde (come anche la riflessione, la
rifrazione, la diffusione o l'interferenza) quando queste
incontrano un ostacolo sul loro cammino. È tipica di ogni
genere di onda, come il suono, le onde sulla superficie
dell'acqua o le onde elettromagnetiche come la luce o le
onde radio
Iridescenza
Fenomeno ottico per cui alcuni corpi, investiti
dalle luce, assumono riflessi cangianti simili ai
colori dell’iride.
Semiconduttori
I semiconduttori sono materiali che hanno una
resistività o conducibilità intermedia tra i
conduttori e gli isolanti.
Tetraedro
In geometria, un tetraedro è un poliedro con quattro facce. Un
tetraedro è necessariamente convesso, le sue facce sono
triangolari, ha 4 vertici e 6 spigoli.
Il tetraedro regolare è uno dei cinque solidi platonici, cioè uno
dei poliedri regolari e le sue facce sono triangoli equilateri.