Photonic Structures Inspired by Nature

بر خلاف اکثر رنگ‌های طبیعی که مبتنی بر جذب رنگدانه هستند، رنگ‌های کمانی درخشان و شدید بسیاری از پروانه‌ها، پرندگان یا سوسک‌ها از برهمکنش نور با سطح دوره‌ای زیر میکرومتری یا الگوهای حجمی ناشی می‌شود که اصطلاحاً «ساختارهای فوتونیک» نامیده می‌شوند. این «رنگ‌های ساختاری» به طور فزاینده‌ای به خوبی درک می‌شوند، اما ایجاد مصنوعی و بهره‌برداری از آن‌ها از نظر فناوری دشوار است. در این پایان نامه زمینه رنگ های ساختاری طبیعی و ساختارهای فوتونیک بیومیمتیک در دامنه وسیعی از فوتونیک گیاهی تا اپتیک نظری پوشش داده شده است. این عناصر پراش را بر روی سطوح گلبرگ بسیاری از گونه های گیاهی گلدار نشان می دهد. اینها مبنایی برای مطالعه نقش رنگهای ساختاری در جذب گرده افشان هستند. تکنیک‌های خودآرایی، همراه با روش‌های مقیاس‌پذیر نانوساخت، برای ایجاد ساختارهای فوتونی مصنوعی پیچیده با الهام از ساختارهای موجود در طبیعت استفاده شد. به طور خاص، جلوه رنگ پروانه Papilio تقلید شد و با تغییر انگیزه طراحی آن، تقویت شد. تمام جلوه های فوتونیکی که در اینجا توضیح داده شده است با محاسبات مدل پیشرفته پشتیبانی می شوند.

Unlike most natural colours that are based on pigment absorption, the striking iridescent and intense colouration of many butterflies, birds or beetles stems from the interaction of light with periodic sub-micrometer surface or volume patterns, so called “photonic structures”. These “structural colours” are increasingly well understood, but they are difficult to create artificially and exploit technologically. In this thesis the field of natural structural colours and biomimetic photonic structures is covered in a wide scope, ranging from plant photonics to theoretical optics. It demonstrates diffractive elements on the petal surfaces of many flowering plant species; these form the basis for the study of the role of structural colours in pollinator attraction. Self-assembly techniques, combined with scaleable nanofabrication methods, were used to create complex artificial photonic structures inspired by those found in nature. In particular, the colour effect of a Papilio butterfly was mimicked and, by variation of its design motive, enhanced. All photonic effects described here are underpinned by state-of-the-art model calculations.