Le tecnologie bioispirate

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1 Le tecnologie bioispirate Dalle antiche civiltà ad oggi, l uomo ha sempre tratto ispirazione dal mondo naturale. Gli insetti, gli animali e le piante hanno fornito modelli per la realizzazione di opere d arte, di ingegneria ed architettura. Oggi sono il prototipo per la costruzione di sofisticati robot e per l invenzione di nuovi materiali. Tela del ragno Ninfea Farfalla

2 Le Farfalle Polyommatus marcidus Polyommatus daphni L'insetto che ha raccolto il maggior numero di studi è la farfalla: la maggior parte dei Lepidotteri ha infatti ali variopinte a causa di effetti di interferenza e diffrazione come quelli dei cristalli fotonici, piuttosto che di pigmenti. Uno dei ruoli più particolari di queste nanostrutture è quello della regolazione termica. In un articolo del 2003,L. P. Birò e altri studiosi, nella rivista scientifica The American Physical Society, hanno tentato di verificare un'ipotesi sul differenziamento cromatico di farfalle molto simili come la Polyommatus marcidus e la Polyommatus daphni.

3 I cristalli fotonici Def : Un cristallo fotonico è una struttura dielettrica periodica caratterizzata da un band gap fotonico(pbg) PBG: intervallo di frequenze alle quali non è consentitala propagazione all interno del mezzo I cristalli fotonici sono una classe di materiali avanzati dalle molteplici risorse e possibilità di impiego futuro nei campi più disparati. Possono essere considerati l'analogo ottico dei semiconduttori: in essi la presenza di un potenziale periodico, quale la successione ordinata di atomi che caratterizza il cristallo, provoca la formazione di bande energetiche elettroniche separate da intervalli proibiti, in cui non sono presenti stati elettronici; in un cristallo fotonico una successione periodica di dielettrici (isolanti elettrici) a diverso indice di rifrazione, causa la formazione di un cosiddetto energy gap fotonico: fotoni con valori energetici interni alla gap proibita non potranno attraversare il cristallo e saranno riflessi o confinati all'interno dello stesso. L' effetto è tanto più evidente quanto la differenza tra gli indici di rifrazione risulta elevata. La realizzazione di simili materiali è molto complessa: infatti, analogamente ai difetti nei semiconduttori, rotture di periodicità all'interno dei cristalli fotonici localizzano degli stati permessi nella gap proibita; tale effetto può essere voluto per la costruzione di particolari dispositivi, ma in generale provoca una perdita di efficienza del sistema. La sintesi di cristalli fotonici non è però un brevetto dell'uomo: da miliardi di anni la natura produce questi materiali e da milioni di anni ne fa un uso oculato per proteggere la vita nelle sue forme più disparate.

4 Cristalli fotonici naturali Esistono in natura numerosi esempi di strutture fotoniche. I sistemi biologici producono effetti ottici impiegando architetture multistrato in scala nanometrica. Il colore non è prodotto da pigmenti, ma ha origine dalla riflessione o dall assorbimento di una banda di lunghezze d onda a causa delle microscopiche strutture reticolari di cui è costituita la superficie: struttura a microlenti per focalizzare la luce nei cloroplasti o rifletterla in condizioni di eccessivo irraggiamento. La presenza di un band gap fotonico non completo genera fenomeni di iridescenza.

5 1D, 2D, 3D I cristalli fotonici possono assumere una configurazione monodimensionale (fig. b), bidimensionale (fig. c) o tridimensionale (fig. d), a seconda di come vengano costruiti. Mentre la fig. a rappresenta la struttura dell'ala di una farfalla. Periodicità in 1, 2 e 3 direzioni 1-D 2-D 3-D

6 Impiego dei cristalli fotonici I semiconduttori elettronici hanno rappresentato la base portante della rivoluzione informatica che abbiamo vissuto negli ultimi anni e di cui ancora oggi avvertiamo gli effetti: la dimensione delle tecnologie si è ridotta con la miniaturizzazione dei suoi componenti essenziali. Il successo della moderna microelettronica è dovuto proprio alla capacità di integrazione, sullo stesso chip, di molteplici elementi quali CPU, interfacce e memorie. La proprietà più importante dei cristalli fotonici è proprio quella di permettere l interazione tra la luce e la struttura stessa del mezzo su una scala di poche lunghezze d onda, riducendo enormemente le dimensioni dei singoli componenti (fino a 106 volte rispetto ai generici componenti integrati ottici). Importante impulso si è avuto anche nel campo delle sorgenti dove, grazie all utilizzo dei cristalli fotonici come elementi attivi dei LED, si è scoperto come sia possibile eliminare l emissione spontanea che si genera al loro interno, per mezzo della band gap fotonica. Inoltre trovano ampia applicazione nella fabbricazione di rivestimento anti riflesso (comune sia nelle lenti degli occhiali che negli obiettivi fotografici).

7 1)Antiriflesso Il trattamento antiriflesso viene realizzato su di una lente al fine di ridurre le immagini disturbanti che si formano per la riflessione dalle sue superfici.le immagini possono essere generate da radiazioni provenienti da sorgenti posizionate o dietro o davanti la lente. Questo trattamento, anche se multistrato, non può eliminare completamente tutte le lunghezze d'onda riflesse dalla lente ed è per questo motivo che le lenti trattate presentano comunque una colorazione residua di colore blu-verde come la farfalla. occhiali senza antiriflesso occhiali con antiriflesso

8 Poiché l'intensità delle immagini riflesse aumenta all'aumentare dell'indice di rifrazione del materiale della lente il trattamento antiriflesso diventa importante al fine di ottenere: Aumento della brillantezza. Miglior definizione dell'immagine per aumentato contrasto. attenuazione delle immagini fantasma riflesse. Maggior continuità del livello di prestazione in quanto l'attività percettiva è meno disturbata dalle immagini fantasma. Riduzione degli inestetismi legati alle riflessioni generate dalla superficie anteriore della lente.

9 2) ANTI-CONTRAFFAZIONE La struttura lamellata delle ali è stata studiata anche come modello nello sviluppo di costruzione delle tecnologie di anti-contraffazione delle valute e carte di credito.

10 Con l'obiettivo di cogliere le differenze tra le due specie citate alla diapositiva n. 2 (la Polyommatus marcidus e la Polyommatus daphni), le ali delle due farfalle sono state osservate al microscopio ottico; le squame alari della prima presentano una struttura nanometrica in corrispondenza delle regioni colorate di blu e di viola, struttura completamente assente nella seconda. La struttura della prima ha un comportamento di tipo fotonico nonostante non manifesti un ordine a lungo raggio: si ha un energy gap in un materiale amorfo, del tutto simile a quella del silicio; la forma e la dimensione media dell'unità nanometrica detta le condizioni della gap fotonica: celle più circolari e ridotte portano a riflessione del violetto, mentre celle ovali e più grandi riflettono il blu. La differenza tra ali nanostrutturate e non viene evidenziata anche da misure di riflettanza: nel grafico i due spettri sono stati sottratti e si nota un picco di riflessione nel blu-verde assente nelle ali marroni. Si puo notare l'estrema flessibilità di questo tipo di struttura, le cui proprietà possono essere variate secondo necessità modificando alcuni dei parametri del materiale. Grafico delle lunghezze d onda rifratte dalle ali di farfalla.

11 L'ipotesi sulla funzione della diversa morfologia delle scaglie alari delle farfalle delle due specie riguarda la termoregolazione. Essendo le farfalle, come tutti gli insetti, animali a sangue freddo, la capacita di assorbire la luce solare per il proprio riscaldamento è fondamentale per la sopravvivenza, soprattutto ad alta quota: ecco che le farfalle meno riflettenti, quelle marroni, sono più adatte alla vita sui monti e riescono a riprodursi e trasmettere il proprio corredo cromosomico. Allo stesso modo è vero il fatto che le farfalle blu, nanostrutturate, che effettivamente sono più complesse, possano essere un'evoluzione delle più semplici, le marroni; le farfalle, a bassa quota, potrebbero aver avuto bisogno di una miglior sistema di raffreddamento per non raggiungere temperature troppo elevate: ecco che per colonizzare le pianure le farfalle avrebbero sviluppato la struttura fotonica come mezzo di difesa. Fatto reale e comprovato è l'effettivo maggior riscaldamento per assorbimento luminoso subito dalle ali marroni. Struttura reticolare delle ali delle farfalle

12 LA FARFALLA MORPHO BLU I colori metallici sgargianti dal blu al verde di questo insetto, che vive soprattutto in Sud America, non sono il risultato di pigmenti ma un esempio di iridescenza. Le microscopiche lamelle che coprono le sue ali, riflettono la luce agli strati successivi, portando ad effetti di interferenza che dipendono sia dalla lunghezza d onda sia dall angolo di incidenza. Dunque i colori prodotti variano con l angolo di osservazione, ma sono comunque uniformi, forse grazie alla disposizione a struttura di tetraedro (simile al diamante) o alla diffrazione dagli strati di copertura della cellula.

13 3) IMPERMEABILITA Le ampie ali della farfalla sono fatte di chitina. Questo polisaccaride di struttura le rende estremamente leggere, ma al contempo molto resistenti. La particolare disposizione della lamelle a tetraedro le rende non solo un cristallo fotonico naturale ma anche IMPERMEABILI alle violente piogge tropicali.

14 La GORE-TEX, azienda leader nel settore dell abbigliamento e delle calzature per l invenzione del primo tessuto impermeabile traspirante, è stata ispirata per molte delle sue creazioni dal mondo naturale. Per la realizzazione della sua nuova linea di abbigliamento ha preso ispirazione proprio da questa caratteristica della Morpho Blue. I capi, infatti, sono leggeri, traspiranti, impermeabili e facilmente ripiegabili proprio come le ali della farfalla, ma a differenza di queste, presentati in diversi colori.

15 Altri esempi di cristalli in Opale: natura La versione più antica del cristallo fotonico è sicuramente l'opale, minerale di silice amorfa idrata formato per lentissima deposizione geologica di un gel colloidale a bassa temperatura; l'effetto fotonico crea stupendi giochi di colori e iridescenze, che variano con l'angolo di osservazione e con le caratteristiche della roccia. La variazione di indice di rifrazione è piuttosto ridotta per cui il gap energetico è stretto. Pavone: Un esempio tra gli animali odierni è il pavone, le cui nanostrutture chitinose presenti nelle penne della coda assumono riflessi verdi, blu o dorati e creano motivi simili a grandi occhi.

16 Topo di mare: Altro animale importante è il topo di mare, o Afrodita aculeata, un mollusco peloso che striscia sui fondali da 1 a 2000m di profondità; la peluria che lo ricopre appare molto simile alle nostre fibre ottiche. L'iridescenza anche in questo caso è attribuibile alle nanostruttura della peluria; lo stesso vale per gli aculei: ognuno di essi assume una colorazione rosso carminio se illuminato perpendicolarmente all'asse della fibra, mentre un diverso angolo di incidenza provoca una dispersione delle lunghezze d'onda ed un effetto straordinario; nel primo caso in direzione perpendicolare la sola luce rossa viene espulsa dal cristallo, mentre nel secondo agisce l'effetto di differenti band gap in diverse direzioni cristallografiche.

17 Coleotteri: Un particolare coleottero del Brasile, il Lamprocyphus augustus, presenta una brillante corazza verde con riflessi giallo dorati che richiama la presenza di cristalli fotonici; le nanoparticelle che compongono le scaglie, disposte in una struttura a diamante, ma di maggiori dimensioni rispetto a quella atomica, si sono rivelati essere un materiale di sintesi inaccessibile all'uomo con le attuali tecnologie: questa struttura ideale sarà usata come modello per la teorizzazione e creazione di nuovi cristalli fotonici.

18 SITOGRAFIA essenziale L. P. Biro et al. - Role of photonic-christal-type structures in the thermal regulation of a Lycaenid butterfly sister species pair The American Physical Society N. Y. Ha & J. W. Wu Fabrication and Optical Characterization of 3-D Polystyrene Colloidal Photonic Crystal 1, Jul 2004 Journal of the Korean Physical Society University of Utah Brazilian Beetle Lights the Way for Optical Computers of the Future 21, May

19 Realizzato da : Donati Stella Faggella Federico Gaiba Stefano Venturi Valentina Classe 2^B Liceo classico Torricelli

20 Interferenza E un fenomeno ottico dovuto alla sovrapposizione, in un punto dello spazio, di due o più onde. Quello che si osserva è che l'intensità dell'onda risultante in quel punto può essere diversa rispetto alla somma delle intensità associate ad ogni singola onda di partenza; in particolare, essa può variare tra un minimo, in corrispondenza del quale non si osserva alcun fenomeno ondulatorio, ed un massimo coincidente con la somma delle intensità. In generale, si dice che l'interferenza è ' costruttiva ' quando l'intensità risultante è maggiore rispetto a quella di ogni singola intensità originaria, e ' distruttiva ' in caso contrario

21 Diffrazione E un fenomeno fisico associato alla deviazione della traiettoria delle onde (come anche la riflessione, la rifrazione, la diffusione o l'interferenza) quando queste incontrano un ostacolo sul loro cammino. È tipica di ogni genere di onda, come il suono, le onde sulla superficie dell'acqua o le onde elettromagnetiche come la luce o le onde radio

22 Iridescenza Fenomeno ottico per cui alcuni corpi, investiti dalle luce, assumono riflessi cangianti simili ai colori dell iride.

23 Semiconduttori I semiconduttori sono materiali che hanno una resistività o conducibilità intermedia tra i conduttori e gli isolanti.

24 Tetraedro In geometria, un tetraedro è un poliedro con quattro facce. Un tetraedro è necessariamente convesso, le sue facce sono triangolari, ha 4 vertici e 6 spigoli. Il tetraedro regolare è uno dei cinque solidi platonici, cioè uno dei poliedri regolari e le sue facce sono triangoli equilateri.