Syntetiska mikrosfärer med hål i nanoskala kan absorbera ljus från alla riktningar över ett brett spektrum av frekvenser, vilket gör dem till en kandidat för antireflekterande beläggningar, enligt ett team av Penn State-ingenjörer. De syntetiska sfärerna förklarar också hur bladhopparinsekten använder liknande partiklar för att gömma sig från rovdjur i sin miljö.

Forskare har länge varit medvetna om att lövtrattar extruderar mikropartiklar, kallas brochosomer, och torka dem på deras vingar. Eftersom partiklarna är superhydrofoba, lövmagasinets vingar förblir torra under våta förhållanden. Vad som inte förstods innan det aktuella arbetet är att brochosomerna också låter lövtrattar och deras ägg smälta in i deras bakgrunder vid de våglängder av ljus som är synliga för deras huvudsakliga rovdjur, såsom nyckelpiga skalbagge.

"Vi visste att våra syntetiska partiklar kan vara intressanta optiskt på grund av deras struktur, " sa Tak-Sing Wong, biträdande professor i maskinteknik och Wormely Family Early Career Professor in Engineering. "Vi visste inte, tills min tidigare postdoc och huvudförfattare till studien Shikuan Yang tog upp det på ett gruppmöte, att lövbehållaren gjorde dessa icke-klibbiga beläggningar med en naturlig struktur mycket lik våra syntetiska. Det fick oss att undra hur lövmagasinet använde dessa partiklar i naturen."

En sökning i den vetenskapliga litteraturen visade ingenting om bladhopparbrokosomernas användning som kamouflage. Men groparnas storlekar i de syntetiska mikrosfärerna är mycket nära ljusets våglängd, och kan fånga upp till 99 procent av ljuset, allt från ultraviolett till synligt och in i det nära infraröda. Partikelytan fungerar som ett metamaterial, den typ av material som används i cloaking-anordningar.

"Problemet är att på fältet, dessa lövtrattar producerar väldigt lite av denna produkt, och det är väldigt svårt att samla, " sa Wong. "Men vi hade redan producerat stora mängder av dessa strukturer i labbet, tillräckligt för att placera inuti en maskin för att titta på deras optiska egenskaper."

I en tidning publicerad online idag (3 nov) i Naturkommunikation, forskarna simulerade insektssyn och fann att brochosomerna med stor sannolikhet är kamouflagebeläggningar mot rovdjur av lövtratt. Kamouflage är vanligt i naturen, men det finns väldigt få exempel på naturliga antireflekterande beläggningar, malögon är ett framträdande undantag. Mothögon är täckta av antireflekterande nanostrukturer som förhindrar ljus från att reflekteras från dem på natten när rovdjur kan se dem.

De syntetiska mikrosfärerna framställs via en ganska komplex femstegsprocess med elektrokemisk avsättning. Dock, processen kan skalas upp och många olika material kan användas för att tillverka de syntetiska brochosomerna, som guld, silver, manganoxid eller till och med en ledande polymer.

"Olika material kommer att ha sina egna tillämpningar, " sa Wong. "Till exempel, manganoxid är ett mycket populärt material som används i superkondensatorer och batterier. På grund av sin höga yta, denna partikel skulle kunna göra en bra batterielektrod och tillåta en högre hastighet av kemisk reaktion att äga rum."

Som antireflekterande beläggning, detta material kan ha tillämpningar i sensorer och kameror, där fånga av oönskad ljusreflektion kan öka signal-brusförhållandet. Detta kan också vara särskilt användbart i teleskop. För solcellstillämpningar, en beläggning av syntetiska brochosomer skulle kunna öka ljusfångningen vid flera våglängder och från alla vinklar på grund av sfärernas 3D-fotbollsformade struktur, vilket gör det onödigt att bygga enheter för att spåra solen.

"Denna uppsats är mer av en grundläggande studie, " sa Wong. "I framtiden, vi kan försöka utöka strukturen till längre våglängder. Om vi ​​gjorde strukturen lite större, skulle det kunna absorbera längre elektromagnetiska vågor som mellaninfrarött och öppna upp för ytterligare tillämpningar inom avkänning och energiskörd?"

Det återstår att studera.