Вдохновение от природы
(Inspired by nature. Infrared image of Radislav Potyrailo holding a butterfly. (Courtesy: General Electric) )
Бабочка освещает путь, чтобы лучше тепловидеть
Изучение свойств радужной окраски крыльев бабочки может помочь инженерам в разработке датчиков температуры,- и меньших размеров, и более быстродействующих, по мнению исследователей из США. Они также говорят, что эта технология может работать без потребности в дорогостоящей и громоздкой холодильной технике, а также может иметь применения для технологии обработки изображений в тепловых приборах ночного видения и медицинской диагностике.
Есть много способов для обнаружения тепла, таких как измерение изменения электрического сопротивления, когда определенные вещества изменяют температуру. Но для того чтобы оставаться чувствительными к входящему излучению, эти устройства должны постоянно охлаждаться, в противном случае они будут продолжать регистрировать наличие источника тепла в течение некоторого времени после того, как он уже пропал. В результате, наиболее чувствительные тепловизоры требуют охлаждения жидким гелием. Поскольку требуемые радиаторы относительно большие и энергоемкие, это ограничивает минимальный размер и эффективность датчиков. Эти требования представляют серьезные проблемы для тех, кто проектирует портативные приборы, такие как тепловизионные очки. Действительно, очки представляют собой особую проблему, поскольку в идеале необходима прозрачность для видимого света, трудно достижимая с радиаторами на пути.
Теперь, Радислав Потырайло (Radislav Potyrailo) и его коллеги из
Глобального научно-исследовательского центра General Electric ( GE Global Research Centre)
и
Университета Олбани в Нью-Йорке
показали, что обе цели,- высокая чувствительность и удобство - могут быть достигнуты с небольшой помощью от природы. Они создали материал, вдохновленный крыльями бабочки
Morpho
, которые покрыты чешуйками, отражающими свет некоторых длин волн и поглощающих другие. Хотя этот процесс учеными полностью не понят, известно, что, когда крыло нагревается, интенсивность отраженных различных длин волн видимого излучения слегка изменяется, при этом изменяется цвет крыла.
Легко охладить
Группа Потырайло решила исследовать этот эффект, чтобы выяснить, как тот же принцип может быть использован для построения синтетического датчик температуры. Если бы это удалось, то он будет иметь значительное преимущество по сравнению с нынешними датчиками температуры, так как крыльями
Morpho
из хитина, который является природным полимером с более низкой теплоемкостью, чем у металлов и полупроводников, используемых в датчиках сегодня. Это означает, что датчик с использованием этой технологии может охлаждаться быстро и без радиаторов.
Исследователи из группы Потырайло проверили инфракрасное поглощение чешуек крыльев
Morpho
и обнаружили, что, когда чешуйки нагревались с одной стороны инфракрасным излучением, тепловое расширение вызывало смещение их немного дальше друг от друга, таким образом, изменяя длины волн отражаемых и поглощаемых, когда белый свет падал на чешуйки с другой стороны. Эффект сопровождается небольшим снижением показателя преломления хитина.
Украшение нанотрубками
Основываясь на предыдущих работах других исследователей, показавших, что украшения поверхности материала углеродными нанотрубками повышает его способность поглощать инфракрасное излучение, группа Потырайло показала, что крылья поглощали инфракрасное излучение лучше, если углеродные нанотрубки разместить на внешней поверхности. Более того, так как углеродные нанотрубки имеют отличную теплопроводность, покрытие ими помогло распространению тепла через хитин от места облучения, тем самым, выполняя роль молекулярного радиатора.
Исследование все еще находится на ранней стадии, и ученые должны найти спо-соб получения наноструктурированного синтетического хитина - или аналогичного материала - прежде чем они смогут производить работоспособные датчики. Но они верят, что работа может однажды привести к относительно дешевым, многоцветовым тепловым датчикам изображения, в которых средний инфракрасный будет выглядеть как один цвет, а дальний инфракрасный как другой.
Умное использование природных структур
«Я нахожу эту работу, как пример очень умного использования природных фотонных структур, встречающихся на чешуйках крылышек тропической бабочки
Morpho
», говорит Мохан Шринивасарао (Mohan Srinivasarao) из
Nature Photonics
.