|
Нанокристаллы
Периодические
структуры
с
выраженной
интерференцион
-
ной
окраской
часто
встречаются
в
живой
природе
.
Структурами
с
одномерной
периодичностью
являются
,
например
,
покрытия
на
Рис
. 9.10.
Наружная
поверхность
глаза
бабочки
Vanessa kershawi
.
Длина
метки
равна
2
мкм
крыльях
некоторых
бабочек
,
хвостовых
перьях
павлина
,
панцирях
некоторых
жуков
.
Роль
интерференции
в
окра
-
ске
перьев
павлинов
отмечал
еще
И
.
Ньютон
в
1730
году
.
Структуры
с
двумерной
пе
-
риодичностью
присутствуют
в
строении
глаз
насекомых
.
Регулярная
пористая
структу
-
ра
глаз
насекомых
(
рис
. 9.10)
является
эффективным
антиот
-
ражающим
интерфейсом
,
обес
-
207
печивающим
прохождение
света
с
одновременной
возможно
-
стью
физико
-
химического
обмена
с
окружающей
средой
для
внутренних
тканей
глаза
.
В
природе
существуют
трехмерные
периодические
струк
-
туры
в
виде
коллоидных
кристаллов
.
Они
впервые
были
обна
-
ружены
при
исследовании
вирусов
.
Полудрагоценный
минерал
опал
представляет
собой
коллоидный
кристалл
,
состоящий
из
монодисперсных
сферических
глобул
оксида
кремния
.
Именно
интерференцией
света
в
трехмерной
периодической
структуре
определяется
их
искрящийся
цвет
,
зависящий
от
угла
падения
и
наблюдения
.
Упорядоченные
структуры
,
период
которых
сопоставим
с
длинами
волн
света
видимого
или
ближнего
инфракрасного
диапазонов
,
получили
особое
название
–
фотонные
кристаллы
(
рис
. 9.11).
Это
название
указывает
лишь
на
то
,
что
поведение
фотонов
в
таких
средах
весьма
необычно
.
Рис
. 9.11.
Фотонный
кристалл
,
состоящий
из
упорядоченных
сферических
частиц
размером
около
650
нм
Фотонный
кристалл
–
это
оптическая
среда
,
в
которой
происходит
периодическое
изменение
коэффициента
преломле
-
ния
на
масштабе
,
сопоставимом
с
длиной
волны
света
видимого
208
или
ближнего
инфракрасного
диапазонов
.
При
этом
различают
одно
-,
двух
-
и
трехмерные
фотонные
кристаллы
в
зависимости
от
того
,
наблюдается
ли
указанная
периодичность
в
одном
,
двух
или
трех
измерениях
соответственно
.
В
качестве
одномерного
фотонного
кристалла
вполне
мож
-
но
рассматривать
дифракционную
решетку
.
Хорошо
известно
,
что
одномерная
периодичность
дифракционной
решетки
позво
-
ляет
ей
эффективно
отражать
свет
некоторой
длины
волны
,
па
-
дающий
на
решетку
под
определенным
углом
.
В
фотонных
кри
-
сталлах
с
трехмерной
периодической
структурой
возможна
си
-
туация
,
при
которой
свет
некоторой
длины
волны
отражается
от
такого
объекта
при
любом
угле
падения
.
В
эту
оптическую
среду
фотон
не
может
попасть
извне
.
Уникальное
поведение
фотонов
в
фотонных
кристаллах
по
-
зволит
создать
на
основе
последних
самые
разнообразные
опти
-
ческие
устройства
,
которые
произведут
настоящую
революцию
в
оптоэлектронике
.
Уже
сейчас
предложены
пути
использования
фотонных
кристаллов
для
создания
высокоэффективных
свето
-
диодов
и
лазеров
,
новых
оптоволоконных
волноводов
,
оптиче
-
ских
переключателей
и
фильтров
,
лежащих
в
основе
сверхбыст
-
рых
фотонных
компьютеров
,
в
которых
все
логические
операции
производятся
не
электронами
,
а
фотонами
.
Известно
,
что
передавать
световые
сигналы
по
воздуху
,
несмотря
на
его
«
прозрачность
»,
неэффективно
–
в
атмосфере
содержится
огромное
количество
пыли
и
капель
воды
,
которые
сильно
рассеивают
свет
.
Поэтому
для
передачи
фотонов
было
придумано
оптическое
волокно
,
состоящее
из
сверхчистого
стекла
.
Наноструктурированные
волноводы
по
многим
характе
-
ристикам
значительно
превосходят
обычное
стеклянное
опто
-
волокно
.
Впервые
оптическое
волокно
,
созданное
по
принципу
фотонного
кристалла
,
было
получено
в
1995
году
сотрудниками
фирмы
Blaze Photonics (
Англия
).
В
технологии
оптического
волокна
на
принципе
фотонно
-
го
кристалла
в
кварцевую
трубку
диаметром
20
мм
упаковыва
-
209
ются
капилляры
диаметром
порядка
1
мм
с
направляющим
стержнем
из
того
же
кварцевого
стекла
,
расположенным
между
капиллярами
.
Из
полученной
заготовки
производится
вытяжка
волокна
,
при
этом
характеристические
поперечные
размеры
из
-
делия
уменьшаются
примерно
в
10 000
раз
.
Диаметр
полых
микроканалов
,
проходящих
по
всей
длине
волокна
в
100
м
,
составлял
0,3
мкм
при
их
периодическом
зазо
-
ре
в
2–3
мкм
.
Поперечное
сечение
такого
волокна
имело
гекса
-
гональную
форму
,
определяемую
структурой
укладки
капилля
-
ров
в
трубке
(
рис
. 9.12).
Рис
. 9.12.
Поперечное
сечение
увеличенного
фрагмента
оптического
волокна
(
фотонный
кристалл
с
полой
сердцевиной
)
Наличие
таких
полых
микроканалов
позволяет
более
чем
на
порядок
увеличить
относительную
разность
коэффициентов
преломления
сердцевины
и
оболочки
по
сравнению
со
стан
-
дартным
волокном
.
Дополнительная
«
степень
свободы
»,
пре
-
доставляемая
оптическими
волокнами
,
созданными
по
принципу
фотонного
кристалла
,
делают
их
перспективными
средами
для
систем
оптической
передачи
информации
.
210
Наноповерхности
В
середине
1970-
х
годов
профессора
ботаники
Боннского
университета
(
ФРГ
)
В
.
Бартхлотт
и
К
.
Найнюс
(Neinhuis)
обнару
-
жили
,
что
листья
и
цветки
некоторых
растений
почти
не
загрязня
-
ются
и
что
этот
феномен
протекает
в
их
наноструктурированных
поверхностных
областях
.
Впоследствии
это
явление
ими
было
за
-
патентовано
и
названо
в
честь
наиболее
яркого
представителя
та
-
ких
растений
«
лотос
-
эффектом
» (Lotus-effect).
Издревле
цветок
лотоса
считается
символом
незапятнан
-
ной
чистоты
.
Как
известно
,
листья
и
нежно
-
розовые
цветки
лотоса
распускаются
из
грязной
тины
водоемов
безупречно
чистыми
.
Этот
феномен
самоочистки
детально
исследовался
и
позволил
открыть
удивительные
возможности
природы
за
-
щищаться
не
только
от
грязи
,
но
и
от
различных
микроорга
-
низмов
.
Данный
эффект
наблюдается
не
только
у
лотоса
,
но
и
у
многих
других
растений
,
таких
как
капуста
,
камыш
,
водо
-
сбор
,
тюльпан
,
а
также
у
животных
(
крылья
стрекоз
и
бабочек
).
Они
наделены
природой
свойством
защиты
от
различных
за
-
грязнений
по
большей
части
неорганического
происхождения
(
пыль
,
сажа
),
а
также
биологического
происхождения
(
споры
грибов
,
микробов
,
водоросли
и
т
.
д
.).
Использование
электронных
микроскопов
позволило
уче
-
ным
обнаружить
,
что
поверхности
листьев
,
цветков
и
побегов
покрыты
тонкой
внеклеточной
мембраной
–
поверхностным
слоем
.
Эпидермис
листьев
и
цветков
некоторых
растений
выде
-
ляет
воскоподобное
вещество
кутин
,
представляющее
собой
смесь
высших
жирных
кислот
и
их
эфиров
.
Жиры
и
жироподоб
-
ные
вещества
,
входящие
в
состав
липидов
–
природных
органи
-
ческих
соединений
,
являются
одним
из
основных
компонентов
биологических
мембран
.
Липиды
участвуют
в
обмене
между
растениями
и
окружающей
средой
(
рис
. 9.13).
Попавшая
на
поверхность
листа
капля
воды
удаляет
с
него
частицу
загрязнений
.
При
этом
частицы
загрязнений
не
прони
-
211
кают
во
внутреннюю
Do'stlaringiz bilan baham: |
