Светлячки помогают усовершенствовать линзы для светодиодов

Джонатан Сарфати
Перевод: Алексей Калько (creationist.in.ua)

Wikimedia commons/NEUROtiker

Мы часто читаем статьи о том, как инженеры копируют инженерные находки в природе.¹ Одним из перспективных направлений является изучение того, как организмы генерируют и манипулируют светом. Например, у светлячков и осьминогов² биолюминесценция очень эффективно излучает свет с помощью химических реакций. Крылья некоторых бабочек отражают свет эффектных радужных цветов с помощью чешуек, которые выполняют роль дифракционных решёток, и имеют чрезвычайно чёрные края благодаря чешуйкам на крыльях, которые улавливают свет. Это вдохновило учёных на создание различных пигментов.³ А глаза моли имеют изобретательную анти-отражающую поверхность с нано-структурой, которую сложно повторить.⁴

Светлячки – это семейство жуков,⁵ которые используют биолюминесценцию, чтобы произвести свечение на последних сегментах брюшка. У личинок это свечение, видимо, служит предупреждением, что их плоть ядовита, а у взрослых особей оно помогает привлечь партнёра. Свет производится с помощью химического вещества люциферина,⁶ находящегося в специальных клетках, называемых фотоцитами. Кроме того, для этого требуется фермент люцифераза, магний, кислород и энергия в форме молекул АТФ (которые производит самый миниатюрный двигатель в мире)⁷

Но эффективной является не только биохимия этого процесса, но и светопропускание. Органы свечения [лантерны] светляков имеют три слоя: кутикула (окно), фосфоресцирующий (производящий свет) и тыльный слой. Фосфоресцирующий слой излучает свет во всех направлениях. Лучи света проходят через кутикулу либо непосредственно, либо после отражения от тыльного слоя. Этот слой чрезвычайно хорошо отражает свет, потому что он представляет собой тонкослоистую структуру, которая называется диэлектрическим зеркалом.

Само окно также имеет удивительно прозрачную структуру. Обычно, когда свет проходит через границу между различными материалами, некоторая его часть теряется из-за отражения. Его можно свести к минимуму с помощью процесса, называемого согласованием оптических импедансов. Оказывается, что кутикулы на лантернах светляков имеют микроскопическую структуру, которая именно это и обеспечивает. Она имеет очень маленькие гребни – 150 нм в ширину и 110 нм в высоту (1 см – это 10 миллионов нм), расположенные с интервалом (расстояние между соседними пиками) 250 нм.⁸ Оказывается, что это – лучшие параметры для пропускания света светлячков с пиковой длиной волны 560 нм (жёлто-зелёного). Кстати, наши глаза наиболее чувствительны именно к этому цвету.

И вот, группа исследователей из лаборатории Biophotonics Корейского института передовых технологий во главе с Ки Хун Чжоном продублировала эту структуру для покрытия линзы светодиода. Это позволило увеличить светопроницаемость на 3% по сравнению с гладкой линзой. Возможно, звучит не очень впечатляюще, но это хорошее начало на пути к максимальному увеличению энергоэффективности. Исследователи говорят: «Эта вдохновлённая биологией идея может открыть новые возможности для повышения эффективности светоотдачи светодиодных блоков высокой мощности».

Конечно, авторы статьи традиционно приписывают создание таких структур эволюции, утверждая, что «эффективные версии этих наноструктур были отобраны в течение сотен миллионов лет».⁹ Но в практических исследованиях были использованы принципы проектирования, чтобы скопировать эти наноструктуры. Так что, если для создания плагиатной копии требуется блестящий замысел, насколько больше он требуется для создания оригинала?