Биологическая фотоника - Bio-inspired photonics

Биологическая фотоника или же биологические оптические материалы является подкатегорией биовдохновение. Он включает в себя искусственные материалы с оптическими свойствами, вдохновленные живыми организмами.[1][2] Это отличается от биофотоника 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 (структурная окраска ).[1][2]

Молекулярная биомиметика

Молекулярная биомиметика включает создание оптических материалов на основе определенных молекул и / или макромолекулы вызвать окраску.[1] Пигмент -индуированные материалы, нацеленные на определенные молекулярные поглощение света были разработаны, например, меланин - вдохновленные фильмы, подготовленные полимеризация меланина предшественники Такие как дофамин и 5,6-дигидроксииндол, чтобы вызвать насыщенность цвета.[3][4][5]Материалы на основе многослойной укладки гуанин молекулярные кристаллы, обнаруженные в живых организмах (например, рыбы[6] и хамелеоны[7]) были предложены в качестве потенциально отражающих покрытий и солнечные отражатели. Протеин оптические материалы на основе, например самосборные отражать белки, обнаруженные в головоногие моллюски [8][9] и шелк,[10] вызвали интерес к искусственным материалам для камуфляж системы,[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 использовался 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

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. Через механизм конструктивного и деструктивного вмешательство, одни цвета усиливаются, а другие уменьшаются.

Фотонные структуры широко распространены в природе и существуют у самых разных организмов. Разные организмы используют разные структуры, каждая из которых имеет разную морфологию, предназначенную для достижения желаемого эффекта. Примеры этого - фотонный кристалл, лежащий в основе ярких цветов в павлин перья[19] или древовидные структуры, ответственные за ярко-синий цвет в некоторых Морфо бабочки.[20]

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

Адаптивные материалы

Рекомендации

  1. ^ а б c d Тадепалли, Сиримувва; Slocik, Joseph M .; Гупта, Маниш К .; Naik, Rajesh R .; Сингаманени, Шрикантх (2017). "Биооптика и оптические материалы на основе биоинспекции". Химические обзоры. 117 (20): 12705–12763. Дои:10.1021 / acs.chemrev.7b00153. ISSN  0009-2665. PMID  28937748.
  2. ^ а б Колле, Матиас; Ли, Сыну (2018). «Прогресс и возможности мягкой фотоники и биологической оптики». Современные материалы. 30 (2): 1702669. Дои: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 С.; Шоуки, Мэтью Д.; Дхиноджвала, Али (2015). «Структурные красители, созданные на основе биоинфекций, полученные путем самосборки синтетических наночастиц меланина». САУ Нано. 9 (5): 5454–5460. Дои: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. Дои: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. Дои: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 кристаллов и дизайн. 8 (2): 507–511. Дои:10.1021 / cg0704753. ISSN  1528-7483.
  7. ^ Тейсье, 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. Дои:10.1038 / ncomms7368. ISSN  2041-1723. ЧВК  4366488. PMID  25757068.
  8. ^ Крукс, У. Дж. (2004). «Рефлектины: необычные белки светоотражающих тканей кальмаров». Наука. 303 (5655): 235–238. Дои: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. Дои:10.1038 / nmat1930. ISSN  1476-1122. PMID  17546036.
  10. ^ Pal, Ramendra K .; Курляндия, Николай Е .; Ван, Цунчжоу; Kundu, Subhas C .; Ядавалли, Вамси К. (2015). «Биологическое моделирование протеинов шелка для мягкой микрооптики». Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 7 (16): 8809–8816. Дои: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. Дои:10.1002 / adma.201301472. ISSN  0935-9648. PMID  23897625.
  12. ^ Kreit, E .; Mathger, L.M .; Hanlon, R.T .; Деннис, П. Б .; Naik, R. R .; Forsythe, E .; Хайкенфельд, Дж. (2012). «Биологическое и электронное адаптивное окрашивание: как можно информировать друг друга?». Журнал интерфейса Королевского общества. 10 (78): 20120601. Дои:10.1098 / rsif.2012.0601. ISSN  1742-5689. ЧВК  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. Дои:10.1002 / adma.200801580. ISSN  0935-9648.
  14. ^ Штекль, Эндрю Дж. (2007). «ДНК - новый материал для фотоники?». Природа Фотоника. 1 (1): 3–5. Дои: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. Дои: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. ЧВК  5746562. PMID  29277747.
  17. ^ Ноги, Масая; Ивамото, Шиничиро; Накагайто, Антонио Норио; Яно, Хироюки (2009). «Оптически прозрачная нановолоконная бумага». Современные материалы. 21 (16): 1595–1598. Дои:10.1002 / adma.200803174. ISSN  0935-9648.
  18. ^ Киношита, S; Йошиока, S; Миядзаки, J (2008). «Физика структурных красок». Отчеты о достижениях физики. 71 (7): 076401. Дои: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. Дои:10.1073 / pnas.2133313100. ISSN  0027-8424. ЧВК  240659. PMID  14557541.
  20. ^ Смит, Гленн С. (2009). «Структурная окраска бабочек Морфо». Американский журнал физики. 77 (11): 1010–1019. Дои:10.1119/1.3192768. ISSN  0002-9505.
  21. ^ Clapham, P.B .; Хатли, М. С. (1973). «Уменьшение отражения линз по принципу« ночной бабочки »». Природа. 244 (5414): 281–282. Дои:10.1038 / 244281a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4219431.
  22. ^ Chattopadhyay, S .; Huang, Y.F .; Jen, Y.J .; Ganguly, A .; Chen, K.H .; Чен, Л. (2010). «Антиотражающие и фотонные наноструктуры». Материаловедение и инженерия: R: Отчеты. 69 (1–3): 1–35. Дои:10.1016 / j.mser.2010.04.001. ISSN  0927-796X.