Химики подсмотрели у цикад «выключающие» отражение наночастицы

На основе сферических серебряных частиц с ячеистой структурой поверхности химики из США и Китая создали материал, который отражает не более одного процента света в видимом и инфракрасном диапазонах. В качестве прообраза такого материала они использовали брохосомы — частицы, которые производят цикадки для маскировки и защиты. Работа опубликована в Nature Communications.

Брохосомы — сферические частицы размером несколько сот нанометров с характерной ячеистой структурой на поверхности. Их производят насекомые из семейства цикадок (Cicadellidae) из белков и жиров, и природные брохосомы обычно имею форму усеченного икосаэдра (такую же структуру имеет футбольный мяч и молекулы фуллерена C₆₀). Из-за того, что такие частицы являются супергидрофобными, насекомые в первую очередь используют их для защиты от воды и загрязнений как поверхностей крыльев и тела, так и отложенных яиц. Кроме того, брохосомы препятствуют отражению света, что помогает насекомым маскироваться от хищников.

Ученые из США и Китая решили использовать свойство брохосом рассеивать практически весь падающий на них свет для разработки нового типа покрытий.

Для получения искусственного материала с подобной структурой они использовали шаблон из двухслойного коллоидного кристалла — упорядоченного массива сферических частиц. В эксперименте полистирольные шарики радиусом около одного микрона наносились на подложку в виде упорядоченного гексагонального массива, после чего покрывались слоем более маленьких полистирольных шариков радиусом около 200 нанометров. Поскольку частицы обоих размеров представляли собой упорядоченные гексагональные массивы, то количество маленьких шариков на поверхности большого было строго определено (оно зависит от соотношения размера частиц, и, например, если радиусы частиц отличаются в 4 раза, то на видимой поверхности больших шариков помещается 19 маленьких). После этого такой двухслойный коллоидный кристалл использовали в качестве матрицы для дальнейшего получения искусственной брохосомы. Кристалл с помощью электрохимического осаждения покрывался слоем серебра, после чего все полистирольные компоненты системы растворялись.

В результате происходило образование упорядоченного массива серебряных микрочастиц с ячеистой поверхностью, по своей морфологии очень похожих на природные брохосомы.

Оказалось, что такие поверхности действительно практически не отражают свет в видимой и инфракрасной областях даже несмотря на то, что сделаны из серебра. Авторы работы сравнили процент отраженного света для серебряных поверхностей с различной морфологией, и если плоская поверхность отражает весь падающий на нее свет, а на пористых поверхностях процент отраженного света может уменьшится в 10 раз, то в случае поверхностей, покрытых упорядоченным массивом серебряных брохосом доля отраженного света в диапазоне длин волн от 200 до 2500 нанометров не превышает 1 процента. Кроме того, изменяя размер ячеек на поверхности и химический состав частиц, можно изменять и диапазон длин волн, в котором происходит наиболее эффективное рассеивание света.

По словам ученых, такие материалы могут использоваться для создания камуфляжных покрытий, увеличения эффективности солнечных батарей или для разработки фоточувствительных сенсоров.

Подглядывают за животными не только физики в поисках более эффективных оптических структур, но и химики для поиска новых функциональных составов. Так мидии подсказали ученым, как можно получать нити, которые являются и сильно растягиваемыми, и очень прочными.

Александр Дубов