整列したラメラ層を持つモルフォ蝶の人工羽のナノ加工と発色の研究

Scientific Reports volume 5、記事番号: 16637 (2015) この記事を引用

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モルフォ蝶の羽の明るく虹色の青色は、その神秘的な性質を探求するために、長い間世界中の注目を集めてきました。 翼の鱗の上に構築されたナノフォトニック構造による構造色の物理学は十分に確立されていますが、標準的なトップダウンリソグラフィーによる翼の構造の複製は依然として課題です。 この論文は、無色のポリマーの整列したラメラ多層を持つフォトニック構造につ​​いて、電子ビームリソグラフィーと交互のPMMA/LOR現像/溶解を組み合わせた新しいナノ加工プロセスを開発することにより、モルフォ蝶の羽の青色を模倣する技術的ブレークスルーを報告する。 有限領域時間差シミュレータを用いてマクスウェル方程式を解くことにより、色彩と幾何学的寸法および形状との関係を系統的に解析する。 垂直角度と斜め角度の両方でのスペクトル測定により、模倣された青の慎重な特性評価が行われます。 新しい技術の応用演習として、作製された翼の鱗によって反射された青色の構造色が実証され、さらに緑色に拡張されました。 レプリカの規則性が色彩に及ぼす影響を分析します。 原則として、このアプローチは、モルフォ蝶の羽の青を超えた構造色を模倣するための出発点を確立します。

構造色は、蝶 1、2、3、4、5、甲虫 6、海洋動物 7、8 などでよく見られます。その中で最も広く引用されている例は、南米に生息するモルフォ蝶 9、10、11、12 です。 蝶の羽の色は、幅広い青色の虹色、鮮やかな光沢、斑点のような外観、変色に対する高い耐性、環境および角度に依存しないスペクトルに対する高い感度など、多くの独特の特徴を示します。 強力な走査型電子顕微鏡 (SEM) による内部構造の最初の観察以来 15、モルフォ蝶の羽の精巧なナノ構造による色の起源に関する実質的な研究が、広範な応用の可能性を原動力として広く実施されてきました 16、17、18。 予想される用途には、虹色繊維アパレル19、機能性コーティング20、比類のないカラーセキュリティコーディング21、効率的な太陽電池22、高選択性ガスセンサー23、24、優れた感度と選択性を備えた化学センサー25、26、高速赤外線イメージングデバイス27、28などが含まれます。色彩を正確に解釈することに成功するには、蝶の羽のスケールでマイクロおよびナノスケールの周期構造を構築するための信頼できる技術的方法論を確立する必要があり、これは日常生活への応用に向けた避けられないステップでもあります。 図1aの元の構造で概略的に示されているように、翼の鱗は互いにランダムな高さの平行な隆起で覆われています。 各尾根の側壁には、実際にはキューティクルと空気の交互層からなる層状構造が存在します。 このような種類のナノ構造は、形状が 3D 変化するため、複製において困難な課題となってきました。 それにも関わらず、数多くの試みが報告されています。 Saito ら 29,30 と Chung ら 31 は、不規則な基礎構造上に TiO2/SiO2 を多層蒸着することにより、広角視野で青色を模倣しました。 渡辺ら 32 は、集束イオンビーム化学蒸着 (FIB-CVD) を使用してモルフォ蝶の鱗のレプリカを作製し、青色の反射を観察しました。 Huang ら 33、Zhang ら 34、35、36、Kang ら 37、Chen ら 38、39 は、金属酸化物またはポリジメチルシロキサン (PDMS) によって 3D ナノ構造を合成するためのバイオテンプレートとしてバタフライを使用し、報告しました。レプリカはさまざまな格子サイズと屈折率でさまざまな色を反射できるということです。 しかし、報告されているすべてのアプローチは、大面積、高歩留まり、低コストの標準的なトップダウン ナノリソグラフィー プロセスに基づいているわけではありません。 唯一の例外は、Aryal et al.40 が最近、工業化技術による大面積ナノ加工とその後の 3D 蝶の羽の鱗のナノインプリントの方法を導入したことです。 残念ながら、その光学的な色は特徴付けられていません。 さらに、模倣されたナノ構造のほとんどは無機材料を使用しているため、無機材料の光学的特性が本物の蝶の羽の鱗の表皮の光学的特性と異なるため、レプリカは本物のモルフォ蝶とは異なる色を表示します。