Biomimicry and Photonics: come l’architettura in natura ispira modelli innovativi

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Suscitano sempre un certo interesse, per noi, gli articoli che mostrano come i processi naturali siano presi sempre più spesso come modelli di riferimento per ricerche nei più disparati ambiti scientifici, al fine di giungere a risultati sempre più innovativi ed ottimali.
E’ questo il caso dell’articolo sviluppato da Cas Smith per http://www.terrapinbrightgreen.com/ che condividiamo con voi.
Gli organismi utilizzano una serie di strategie per generare, rilevare e assorbire la luce. Alcuni ricercatori in ca
mpo ottico e fotonico sempre più studiano e utilizzano tali strategie della natura come modelli per lo sviluppo di dispositivi di rilevamento e di imaging avanzate.

Le ali delle farfalle ispirano sensori di tecnologia avanzata

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Copyright Grover Schrayer/Flickr

Le ali delle farfalle Morpho producono luminosità e colori cangianti quando la luce interagisce con la micro-architettura delle scale delle loro ali. Ogni scala è fatta di chitina – un biopolimero abbondante – e supporta una serie di creste parallele. In sezione trasversale, ciascuna cresta mostra una struttura, in nanoscala, periodica consistente in montanti verticali e orizzontali, simile alla forma di un albero. L’iridescenza delle ali delle Morpho è prodotta da interferenze della luce sulle sezioni orizzontali e diffrazione della luce sulle parti verticali. Una nuova ricerca sul colore delle ali della Morpho condotta al GE Global Research, ha determinato che le scale danno anche una risposta ottica alle variazioni di energia termica. L’assorbimento di infrarossi (IR) e la successiva conversione in energia termica, permette l’espansione della nanostruttura; questo cambiamento morfologico produce un cambiamento, osservabile all’occhio umano, nell’iridescenza dell’ala.

Gli scienziati stanno sviluppando sensori termici basati proprio sulla struttura nanometrica delle ali delle Morpho, al fine di migliorare la velocità di risposta e la sensibilità termica. Lo studio continuo delle ali di tali farfalle può stimolare una nuova generazione di tecnologie di sensori.

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Copyright Radislav A. Potyrailo.

L’occhio di alcuni insetti notturni inspira superfici anti-riflettenti

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Copyright Rick Cowen.

Le falene notturne sono in grado di vedere di notte, perché i loro occhi assorbono una percentuale elevata di luce invece di rifletterla. Composta da una serie di minuscole protuberanze, di spessore di appena 200-300 nanometri, disposte in un reticolo di settori esagonali, l’architettura della cornea della falena dirige vantaggiosamente la luce per aumentare la sensibilità dell’insetto alla luce stessa e per diminuire la riflessione esterna visibile ai predatori. Le due componenti responsabili di questa interazione sono lo specchio e la cornea stessa. Lo specchio della falena, situato dietro i fotorecettori dell’occhio, permette alla luce di riflettere indietro attraverso la struttura dell’occhio che fornisce due possibilità di assorbire i fotoni in arrivo. La struttura corneale – nota come “occhio della falena” -, agisce come un rivestimento anti-riflesso dell’occhio.  Come risultato, la falena è in grado di vedere in condizioni di luce molto bassa.
I ricercatori Nagaoka University of Technology in Giappone hanno dimostrato che applicando la caratteristica anti-riflettente dell’occhio della falena su pannelli solari esistenti, viene aumentata la conversione di fotoni incidenti in elettricità utilizzabile al 5%.

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Copyright Wei-Lun Min.

Semi tropicali inspirano materiali smart

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Copyright Herbario UCO.

Dei molti frutti e semi delle foreste tropicali che hanno colori suggestivi per incoraggiare la dispersione dei semi, la Margaritaria nobilis ha una strategia di colore unica nel suo genere. Il suo colore blu-verde, infatti, attrae gli uccelli a mangiare e a disperdere i semi anche se hanno un basso valore nutrizionale. Il colore e la lucentezza dei semi della Margaritaria nobilis sono causa di una struttura gerarchica fotonica. Il tegumento del seme contiene cellule i cui interni sono composti da tessuti concentricamente stratificati. Quando la luce interagisce con questi strati, essa viene riflessa come luce blu o verde, a causa dell’interferenza ottica.
L’architettura cellulare concentricamente stratificata della nobilis Margaritaria, ha ispirato lo sviluppo di una fibra fotonica che riflette diversi colori quando allungata. Il processo di produzione su scala comprende una tecnica di laminazione che crea un rivestimento multistrato intorno a una fibra flessibile centrale. Diversamente, dai processi convenzionali di disegni termici, queste fibre multistrato sono prodotte a temperatura ambiente consentendo la fabbricazione di una vasta gamma di polimeri.

La pelle del Cefalopode ispira i display futuri

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Copyright Roger Hanlon.

Alcune specie di polpo, calamari e seppie sono in grado di fondersi con l’ambiente circostante o di camuffarsi per proteggersi dai predatori. Questa capacità è dovuta alla combinazione unica di pigmenti e strutture fotoniche nella pelle dei cefalopodi. L’intricata interazione di questi elementi cromatofori e ottici permette agli animali di alterare il loro aspetto. I cromatofori sono piccoli organi “pigmentcontaining” capaci di cambiamenti neurologicamente controllati in volume. La loro pigmentazione fornisce diverse tonalità di rosso, marrone, nero, arancio e giallo. Mentre molte strutture fotoniche artificiali (ad esempio reticoli di diffrazione) sono statiche, i cefalopodi sono in grado di modulare i loro pigmenti e di variare i colori riflessi. L’aspetto finale del loro camuffamento è il riflesso della luce incidente.
I trucchi ottici dei cefalopodi ispirano le odierne tecnologie nell’uso di gel fotonici in display elettronici futuri. Utilizzando gli iridofori come ispirazione, ricercatori negli Stati Uniti stanno sviluppando pixel sintonizzabili a cristallo fotonico per applicazioni di visualizzazione. Display elettronici che utilizzino queste dinamiche con reticolo di diffrazione pixel non richiederebbero sistemi di illuminazione posteriore o periferiche per illuminare il pixel. Una nuova generazione di schermi piatti a basso consumo energetico può profilarsi ed essere resa possibile grazie a questa ricerca.

Le ragnatele ispirano vetri per salvare gli uccelli

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Copyright spiderkakes/Flickr.

La capacità di un ragno di proteggere la sua tela dai predatori, ha recentemente ispirato lo sviluppo di un vetro per una finestra che impedisce agli uccelli di colpirla. La ricerca condotta sui pattern decorativi delle ragnatele, tecnicamente noti come stabilimenta, ha scoperto che le decorazioni centrali fungono da segnale d’allarme per gli uccelli: i volatili, infatti, sono in grado di percepire la luce ultravioletta che riflette la seta alterando il loro percorso per evitare le ragnatele. Così, a seconda della direzione della luce, i ragni creano disegni densi per fornire più superficie di riflessione. Gli studi indicano che la presenza di un centro decorativo su ragnatele, riduce i rischi per gli uccelli in volo.
La riflettività della stabilimenta ha ispirato una società in California, la Arnold Glas, a progettare una lastra di vetro isolante chiamata ORNILUX. Il vetro ha un rivestimento ultravioletto-riflettente unico che appare quasi trasparente per gli esseri umani, ma risulta chiaramente percepibile agli uccelli.  L’uso del prodotto ORNILUX, riduce le collisioni dei volatili contro il vetro, del 77% rispetto ad una finestra standard.

Fonte: http://www.terrapinbrightgreen.com

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