En naturinspirerad metod för att modellera reflektion av ljus från huden på silverfisk och andra organismer kan vara möjlig, enligt forskare från Penn State.

En sådan teknik kan vara tillämplig för att utveckla bättre bredbandsreflektorer och anpassade multispektrala filter för en mängd olika applikationer, inklusive avancerade optiska beläggningar för glas, laserskydd, infraröda bildsystem, optiska kommunikationssystem och solceller, enligt Douglas Werner, John L. och Genevieve H. McCain ordförandeprofessor i elektroteknik, Penn State.

Den föreslagna modellen bidrar också till förståelsen av den reflekterande skikten i huden på vissa organismer. De glänsande skalen på vissa bandfiskar reflekterar ljus över ett brett spektrum av våglängder, ger dem ett lysande metalliskt utseende. Reflektiviteten är resultatet av staplade lager av kristallina organiska föreningar inbäddade i hudens cytoplasma. Vissa organismer med metallglans har lager som är staplade i ett vanligt mönster, medan andra, inklusive bandfisk, har staplingsmönster beskrivna som "kaotiska" eller slumpmässiga. Penn State -teamet bestämde att staplingen inte är helt slumpmässig och utvecklade matematiska algoritmer för att replikera dessa mönster i halvledarmaterial.

"Vi föreslår en modell som använder fraktal geometri för att beskriva skiktningen i den biologiska strukturen hos silverfiskar, "säger Jeremy Bossard, postdoktor i elektroteknik, Penn State. "Medan vi inte försöker återge strukturen som finns i naturen, samma modell kan styra utformningen av enheter som bredbandsbackspeglar. "

Fraktaler har kallats "naturens geometri" eftersom de kan hjälpa till att beskriva de oregelbundna men självliknande mönstren som förekommer i naturliga föremål som till exempel grenande träd. Forskarna använder en endimensionell fraktal, känd som en Cantor bar fraktal, som är en linje dividerad med mellanslag eller luckor. I vanliga fall, Cantorfraktaler verkar vara mycket regelbundna, men när slumpmässiga förändringar introduceras i geometrin, ett mer komplext mönster framträder. Mönstret liknar lager av reflekterande lager i bandfiskhud.

"Det finns ett underliggande mönster, men det finns slumpmässighet inbyggt, säger Bossard, "liknande det sätt som levande träd har ett övergripande fraktalt mönster men inte växer symmetriskt."

Forskarna använder sedan en annan naturinspirerad beräkningsmetod som kallas en genetisk algoritm som efterliknar darwinistisk utveckling för att skapa successiva generationer av fraktala mönster från föräldramönstren. Över cirka 100 generationer, mönstren konvergerar till den bästa designen för att uppfylla alla målkrav.

Med hjälp av dessa fraktala slumpmässiga Cantor -staplar och den genetiska algoritmen, forskarna kunde matematiskt generera mönster riktade mot optiska funktioner i mitten av infrarött och nära infrarött område, inklusive bredbandsreflektion. De föreslår att designmetoden kan användas för att utveckla staplar i nanoskala med anpassade reflekterande spektra. Forskningsresultaten rapporteras den 13 januari, 2016 -numret av Journal of the Royal Society Interface i "Utvecklar slumpmässiga fraktala Cantor -superlatt för infraröda med hjälp av en genetisk algoritm."

Lan Lin, en ny doktorsexamen civilingenjör i elektroteknik, bidrog också till arbetet och utförde materialtillverkning och karakterisering för projektet.