Några av de mest levande färgade varelserna i djurriket har inte sina fantastiska färger att tacka för pigment. Istället, de täcker sig med mikroskopiska strukturer som finjusterar hur de reflekterar ljus.

Nu, dessa djur inspirerar en ny generation av nanoteknik.

Förstå varför dessa strukturer förekommer i naturen, och hur vi kan lära oss att använda dem, har inspirerat University of Melbournes BioInspiration Hallmark Research Initiative; ett projekt som tar principer som ligger till grund för biologiska system och tillämpar dem kreativt på teknik och design.

Från skalbaggar till helt ny teknik

Professor Devi Stuart-Fox, en forskare vid School of BioSciences vid University of Melbourne, tittar just nu in i färgvärlden i djurriket.

"Kan jag ge dig ett exempel?" hon frågar, pekar på en samling blankskalbaggar på bordet framför henne.

"Vi har många skalbaggar som är så glänsande och metalliska att de nästan är spegellika och frågan är" varför? "

Inom BioInspiration Initiative, Professor Stuart-Fox samarbetar med professor Ann Roberts, från universitetets fysikhögskola, som arbetar med att tillverka strukturfärg för tekniska applikationer som mer kompakta skärmar och kameror med högre upplösning.

Färgaspekter

"När du tänker på färgade föremål, i allmänhet tänker du på färger som är baserade på pigment eller färgämnen, " förklarar professor Roberts.

"I dessa material kommer de olika våglängderna att absorberas selektivt och de andra kommer att reflekteras tillbaka, och detta är vad vi uppfattar som färgade. "

Strukturell färg är mer nyanserad.

Genom att täcka ett material med arrayer av nanostrukturer, det är möjligt att anpassa ytan på ett material till specifika våglängder av ljus.

Att skräddarsy storleken och formen på dessa strukturer innebär att forskare kan ändra vilka delar av det synliga spektrumet en yta interagerar med.

De kan justera vilka våglängder som reflekteras, skapa ultrarene färger, samt vilka våglängder som sänds, gör ytan transparent för att välja färger eller polarisationer av ljus.

En ny värld av färg

Jämfört med pigment, strukturella färger låser upp en värld av möjligheter.

"Det finns alla dessa optiska effekter som du får med strukturella färger som du inte får med pigmentbaserade färger, Professor Stuart-Fox förklarar.

Strukturell färg möjliggör effekter som iriserande, där en yta ändrar färg beroende på betraktningsvinkeln.

Du kan se detta på displayen i fjäderdräkten av kolibrier. Samma effekt är ansvarig för de regnbågsfärgade reflektionerna du ser på undersidan av CD-skivor och DVD-skivor, och den färgskiftande pärlemorfärgen på bilar.

Komplexitetsdilemmat

Pusslet för biologer som professor Stuart-Fox är att ta reda på varför djur använder så komplexa färger. Med några skalbaggar, strukturen på deras skal skapar en spegelliknande effekt.

"En idé är att de är så glänsande att de reflekterar den omgivande vegetationen, så det är kamouflage. Även om de ser ut att sticka ut som en öm tumme, det fungerar faktiskt, " hon säger.

"Den alternativa förklaringen är att fåglar och andra djur lätt kan plocka fram dessa glänsande föremål, men de undviker dem - de tänker "det är inte mat". Men ingen av dessa idéer har testats."

Professor Stuart-Fox sätter upp ett stort experiment som placerar hundratals kopior av skalbaggar i regnskogar och öppna miljöer för att försöka skilja mellan kamouflage- och undvikandeteorierna.

Hon kör också en visuell sökuppgift som har personer som bär mobila eyetrackers för att se hur effektivt skalbaggarnas kamouflage är mot människor.

Naturinspirerande ny teknik

Medan biologer tittar på de evolutionära fördelarna med strukturell färg, fysiker som professor Roberts utarbetar sätt att utnyttja strukturella effekter för tekniska tillämpningar.

Ett sätt att göra strukturfärg i labbet är att rista mönster i ett material med hjälp av elektroner i en process som kallas elektronstråle litografi.

Men det kan vara tidskrävande och dyrt, och den kan endast användas på små materialfläckar.

"Vi arbetar faktiskt med att utveckla ett mer skalbart tillvägagångssätt, säger professor Roberts.

Hennes arbete går ut på att tillverka återanvändbara formar som stämplar struktur i mjuk plast, vilket är mycket mer effektivt för att täcka stora ytor än elektronstråle litografi. Det förenklar också färgningsprocessen avsevärt.

Om vi ​​tittar på standardfärgtryck, det kräver skiktning av flera olika bläck, vilket är anledningen till att bläckstråleskrivare har flera färgpatroner. Men strukturell färg kan uppnå samma resultat med en enda stämpel.

Och, till skillnad från sin pigmentbaserade motsvarighet, strukturfärg bleknar inte med tiden.

Färgens framtid

Även om strukturell färg kan ha estetiska användningsområden, Professor Roberts forskning tittar på mer värdefulla tillämpningar av tekniken, vilket skulle kunna möjliggöra produktion av kameror med högre upplösning samt ultratunna tv- och smartphoneskärmar.

För att uppnå saker som högre upplösning, vi måste göra pixlarna i dessa enheter mindre.

Pixels använder liten röd, gröna och blå filter för att producera färgerna som vi ser på våra skärmar. Så, pixelstorleken är i grunden begränsad av storleken på de färgfilter du kan producera.

Pigmentbaserade filter i nuvarande enheter är i allmänhet några mikrometer tjocka. Men med strukturell färg, Professor Roberts kan skapa filter som är cirka tio gånger tunnare, rör sig in i nanometerskalan. Mindre pixlar möjliggör högre upplösningar och mer kompakt teknik.

Hennes senaste forskning handlar om att integrera ett strukturellt färgfilter direkt i ett silikonchip.

"Filtren som producerar röd-grön-blå är sedan en del av den faktiska enheten, du använder inte ett stort tjockt färgbaserat filter som du sätter ovanpå det, " hon säger.

Detta gör inte bara att hon kan göra mindre filter, det undviker också tillverkningssvårigheterna förknippade med att justera pigmentfilter med pixlar på mikroskalan.

Professor Stuart-Fox säger att användbarheten av strukturell färg ligger i dess mångfald.

"Biologiska strukturer tenderar att vara komplexa, men de använder några grundläggande byggstenar, " hon säger.

"Nu när vi har kapacitet att tillverka mer komplexa strukturer och material, vi har större kapacitet att dra nytta av biologi som inspirationskälla. "