ساختارهای چندلایه سطح مواد باعث انعکاس نور در سطح آن ها و ایجاد رنگ های براق و پرجلوه می گردد. سنگ های زینتی مانند اپل ها از جمله ساختارهای طبیعی هستند که به دلیل داشتن این ویژگی زیبایی منحصر به فردی در رنگ دارند. این سنگ ها و ساختارهای دیگر سنگی و زیستی الهام بخش محققین برای ساخت رنگ های درخشنده شده اند. روش های خودآرائی ، کنار هم قراردادن نانوذرات کروی و یا لایه نشانی از جمله روش های تولید اینگونه رنگ ها می باشند.
رنگ نانوساختاری اُپل ها، صدف، مروارید
یکی از ویژگی های ساختارهای طبیعی، بازی رنگ ها است. بازی رنگ ها نمایش اثری رنگین کمانی می باشد. اما بدون میکروسکوپ های الکترونی نمی توان توجیه ساده ای برای رخ دادن این پدیده در ساختارهای طبیعی پیدا کرد. مثال های معروف این اثر رنگی، برق رنگین مروارید و جلوه رنگین کمانی اُپل زینتی است. هر دو ماده به وفور در جواهرات استفاده شده اند. اپل زینتی نوعی ماده معدنی است که از تجمع منظم ذرات SiO2 تشکیل شده است. این جذابیت در رنگ های براق و پرجلوه ی سطح برخی سنگ ها و پوسته ها، پروانه ها، سوسک ها، ماهی ها، و پرنده ها نیز وجود دارد که به علت وجود نانو و میکروساختارها در سطح آن ها ایجاد می شود(مانند سایر نانوساختارها در طبیعت). درک بهتر از تابش رنگی این سنگ ها نیز وقتی شکل گرفت که میکروسکوپ های الکترونی کاربردی شد.
علت رنگی بودن سنگ های اپل و صدف های آبالون برگشت نور منعکس شده از صفحات کریستالی مجاور هم است که تداخل سازنده ای دارند. این پدیده نوعی پراش یا تفرق با نام "براگ" است که علت اصلی آن ساختار رنگ هاست.
شکل1: پدیده تفرق و قانون براگساختارهای سنگی و زیستی، شامل نمونه های متعددی از انعکاس دهنده های چند لایه ای متناوب هستند. از نمونه های سنگی با این ویژگی، سنگ لابرادوریت (کلسیم، سدیم، آلومینیوم، سیلیکات) است که رنگ را در ساختارهای صفحه ای منظم و کنار هم چیده شده و لایه هایی با ضخامت 300 نانومتر را ایجاد می کند.
نمونه دیگر پوست صدف هاست که شامل لایه های متناوب از مواد آلی و غیرآلی است. درخشش مروارید از تداخل سازنده واحدهای سلولی ساختار چند لایه متناوب کنار هم ایجاد شده است. سه نمونه در شکل 2 نشان داده شده است.
معمولآً یک ساختار چند لایه متناوب در طبیعت دو نوع لایه دارد که یکی ضریب شکست بالاتری از دیگری دارد. تداخل پرتو منعکس شده از سلول های مجاور نیز، ایجاد رنگی می کند که باید در انعکاس نشان داده شود.
ساختار صدف یکی از ساختارهای طبیعی می باشد که کاملا ًمورد بررسی قرار گرفته است. صدف ماده-ای سخت است و یک ماده رنگی مرواریدگون، لایه درونی آن را در پوسته نرم تن پوشانده است. میکروساختار صفحه ای در صدف طبیعی از صفحات شش وجهی آراگونیت تشکیل شده است که حدود 5 میکرومتر عرض و 0.5 میکرومتر ضخامت دارد و درون ماتریسی آلی از کنکیولین لفافه شده اند. آراگونیت شکل کریستالی کربنات کلسیم است. کنکیولین ماده ای طبیعی است که پایه آن پلی ساخاریدها و فیبرهای پروتئینی می باشد.
مروارید ساختاری پیازی شکل دارد که از لایه های متوالی کنکیولین و آراگونیت تشکیل شده است. هر دو ماده شفافند و به نور اجازه می دهند در تعداد زیادی از سلول های واحد نفوذ کند و بر اثر تداخل سازنده، نور به خوبی منعکس شود. تداخل سازنده میزان ظرافت در درخشندگی مروارید را تعیین می کند. این میزان به تعداد سلول های واحد ارتباط دارد که در انعکاس دخالت دارند. شفافیت و نازکی لایه های درون مروارید نیز در این امر موثر هستند. درخششی مانند مروارید از یک اثر با مقیاس بزرگ نیز نشات می گیرد که در ارتباط با عمق نفوذ نور در حجم می باشد. درخشش، آن را از درخشندگی سطحی برخی سنگ های یاقوت کبود متمایز می کند. بسیاری از مرواریدها و پوسته های حلزونی در کنار درخشش، اثر رنگی نیز دارند که می تواند با یک اثر پراش نوری از لبه های لایه های متوالی که شبیه به سفال های یک شیروانی روی هم افتاده اند، توجیه شود.
شکل 2: رنگهای ساختاری بر اساس ساختارهای چند لایه متناوب در (الف) نمونه های لابرادوریت (ب) پوست صدف و (ج) مرواریدها
سنگ های قیمتی اپل بهترین نمونه های رنگ های ساختاری هستند که از اثر پراش توری استفاده کرده-اند. اُپل های قیمتی لایه هایی از ذرات کروی فشرده شده ی روی هم به جنس سیلیکای آمورف تشکیل شده-اند که قطر D بین 150 الی 300 نانومتر دارند. لایه ها روی هم انباشته شده اند تا یک شبکه هگزاگونال (شش وجهی) و فشرده ی مکعبی را ایجاد کنند. درخشش و بازی رنگ ها در اُپل به خاطر پدیده براگ است.
در پدیده براگ اگر نور سفید به طور مایل به ساختار منظم کریستالی برخورد کند ( این ساختار را می-توان با دسته ای از صفحات موازی مجزا و واحد که فاصله هر یک با دیگری d می باشد، نشان داد) و موج تابشی با زاویه q نسبت به این صفحه ها وارد شود، در این صورت طول موج نور از رابطه1 به دست می آید.
رابطه 1 :
(....λ=(2d sinθ)/m, (m=1,2,3
در رابطه 1 نور منعکس شده از صفحات مجاور تداخل سازنده ای دارد.
برای یک اُپل هگزاگونال D=160nm که در آن d=130.6nm می شود، با neff 1.54 که مقدار معمول ضریب شکست موثر سیلیکا است، مشاهده می شود که رنگ آبی طول موج حدود 402 نانومتر می-تواند به شکل متمایزی از طیف مرئی متفرق شود. افزایش مقدار D به 275 نانومتر باعث می شود که رنگ قرمز با طول موج 692 نانومتر به شکل برجسته ای از طیف مرئی تفکیک شود. اگر کره های سیلیکایی در اپل خیلی بزرگ باشند (D>350 nm) بازی رنگ ها دیگر دیده نمی شود، چون بازگشت امواج با طول موج-های محدوده فروسرخ اتفاق می افتد. با این حال چرخاندن اپل برای کاهش زاویه
اُپل های قیمتی در طبیعت نادر هستند، اما معمولی آن زیادند. اپل های معمولی، ساختار منظم سنگ های اُپل قیمتی را ندارند و از این رو نور مرئی را متفرق نمی کنند. یک نمونه اپل معمولی، اپل آتشین است، یک سنگ نارنجی شفاف، که رگه های رنگی آن به خاطر مقادیر محدود اکسید آهن است. در مراتب اولیه ساختاری اپل های معمولی از تجمع تصادفی نانودانه های سیلیکا با قطرهای موثر متفاوت که به طور میانگین 25 نانومتر قطر دارند، ساخته شده اند. بنابراین دلیل اولیه ضعف بازی رنگ ها در سنگ های اپل کروی نبودن شکل و تنوع چندگانه در اندازه نانودانه های درون آن است.
شکل 3 : تصاویر( ´30000)SEMسطح برش خورده یک اُپل نشان می دهد که ذرات کروی فشرده سیلیکا در آن وجود دارد. (a) ساختار مکعبی (b) ساختار هگزاگونال.
بازسازی ذرات کروی با مواد دیگر با همان قطر و نظم منجر به تولید اپل های مصنوعی می شود. نمونه ی زیبای دو بعدی اُپل مصنوعی در شکل3 نشان داده شده است، که تصویر یک تک لایه از کره های پلی استایرن اصلاح شده با کربوکسیلات است. این کره ها به قطر 510 نانومتر با ساختار کریستالی فشرده (Closed pack) در کنار هم روی یک ویفر سیلیکونی قرار گرفته اند. رنگ های متمایزی که دیده می شود به زاویه دید و میزان فشردگی لایه ها ارتباط دارند.
شکل 4 : عکس یک تک لایه از کره های پلی استایرن اصلاح شده با کربوکسیلات که به صورت فشرده در کنار هم قرار گرفته اند. قطر کره ها 510 نانومتر است و روی یک ویفر سیلیکونی قرار گرفته اند(دانشگاه پنسیلوانیا).
ساختار ایده آل اُپل های قیمتی با سنتز کریستال های فوتونیک سیلیکا همراه با رسوبدهی دانه های 10 نانومتری و خودآرایی شیمیایی مورد کپی برداری قرار گرفته است.
فاکتور مهم برای مکانیزم های رنگی با صفحات چند لایه از کره های کوچک، قطر ذره می باشد. محلول غلیظ ذرات لاتکس با قطر حدود 150 تا 500 نانومتر در بررسی ها مورد استفاده قرار گرفته است. کره های لاتکس برای شبیه سازی اپل با قطر کوچک تر از طول موج مرئی در دسته های دو بعدی خودآرایی شده اند. لایه ها خود از یک یا چند لایه تشکیل شده اند. وقتی به این لایه ها نور سفید تابیده می شود، دسته نانوکره ها رنگ های پرشدت و یکنواختی را ایجاد می کنند. این رنگ ها از تداخل سازنده ی تنها چند لایه ایجاد شده-اند.
شدت رنگ ها، زمانی بیشتر می گردد که از یک زیرلایه شیشه ای با پوشش طلا استفاده می شود. هر رنگ با ضخامت خاصی مطابقت دارد. اگر نور تک رنگ به جای نور سفید استفاده شود، نوارهای هم رنگی با شدت های مختلف ظاهر می شوند. با تغییر طول موج نور تک رنگ تغییراتی در شدت نوارها مشاهده می شود. در مثالی که در شکل 5 نشان داده شده است، نوار زرد رنگ با یک چهارلایه چهاروجهی تولید شده و می توان آن را بین قسمت سبز با سه لایه شش وجهی و نوار چهار لایه قرمز با ساختار شش وجهی مشاهده کرد. با تغییر هندسه ی فشردگی در یک آرایه، می توان رنگ را تغییر داد.
شکل 5: الف) دسته لایه های رنگی با کره های 55 نانومتری که با میکروسکوپی در حالت انعکاسی مشاهده شده است. برای افزایش شدت رنگ ها، یک زیرلایه شیشه پوشش داده شده با طلا استفاده شده است. هر رنگ با یک ضخامت خاص از دسته لایه ها مطابقت دارد. نوار مرجع 100 میکرومتر است. ب) تصویر SEM که یک دولایه چهاروجهی (در مرکز) را بین یک تک لایه شش وجهی (در سمت راست) و یک دولایه شش وجهی (در سمت چپ) از کره های لاتکس به قطر 144 نانومتر نشان می دهد. نوار مرجع 1 میکرومتر است.
تغییرات پله ای در رنگ، در هر لایه در چنین دسته منظمی می تواند برای ایجاد و ثبت تصاویر رنگی مورد استفاده قرار گیرد.
شکل6: ساختار اپل و دو رنگ ساختاری حاصل از یک ساختار
در شکل 7 ساختار پلیمری منظمی از ذرات 202 نانومتری پلی استایرن و پلیمر PDMS در حفره ها به دلیل منظم قرار گرفتن لایه در محلول ایزوپروپانول نشان داده شده است که دو قسمت داخل و بیرون محلول در اثر رفتار متفاوت نور، طول موج های متفاوتی را منتشر نموده اند که نماینده ی آن ها رنگ های قرمز و سبز می باشد.
شکل7: ساختار ایجاد شده با نوارهایی با ساختارهای کریستالی مختلف و تصویر بزرگنمایی شده یکی از نمونه ها
رنگ های صدفی که رنگ های درخشنده مرواریدگون هستند، از مکانیزم تداخل چندلایه ای سنگ لابرادوریت به جای مواد قبلی استفاده کرده اند. بیشتر این رنگ های صدفی از پولک های ریز میکای پوشش داده شده از دی اکسید تیتانیوم (تیتانیا) استفاده شده است. مزیت بالای این رنگ ها، ثبات فوق العاده در تغییرات PH (تغییرت میزان اسیدی یا بازی بودن محیط)، نور و دمای معمولی است. دی اکسید تیتانیوم (ضریب شکست 2.5-2.7) ماده اولیه همه رنگ های سفید دیواری است، چون بالاترین میزان مات بودن را بین پیگمنت های شناخته شده دارد. مقدار کمی دی اکسید تیتانیوم برای تغییر رنگ ها به رنگ روشن کافی است. انتخاب رنگ در انتقال و انعکاس حاصل از روابط موجود محاسبه می شود. مثال هایی از ضخامت های مختلف پوشش و رنگ تداخلی منطبق بر آن در جدول 3 آورده شده است. به علت پهنای زیاد و انعکاس کم هر ریزصفحه، حجم متراکمی از پولک ها برای انعکاس بالا نیاز است. این رنگ ها، رنگ سفید را با درجه بالایی از درخشش مرواریدگون و با رنگ های تداخلی مختلف مانند زرد، قرمز، آبی، و سبز نشان می-دهند، که با دستکاری ضخامت پوشش به دست می آید.
وقتی یک رنگ که پولک های میکای پوشش داده شده با دی اکسید تیتانیوم دارد، روی یک زمینه سفید اعمال می شود. تنها یک درخشش مرواریدگون قابل مشاهده است، به آن علت است که بخشی از نور که از ریز صفحات رد شده و به زمینه سفید رسیده است، منعکس می شود و هم راستا با نور بازتابیده شده به سمت منبع باز می گردد.
شکل8: رنگ های منعکس شده و عبور داده شده به ضخامت t به پوشش دی اکسید تیتانیوم روی پولک های ریز میکا بستگی دارد.
وقتی که رنگ روی یک زمینه سیاه لایه نشانی می شود، انعکاس از زمینه وجود ندارد و تنها رنگ تداخل از صفحات پولکی قابل مشاهده است. پولک های میکرومتری، یک نور یکنواخت ایجاد می کنند اما پولک های بزرگتر براقند. انواع دیگری از پیگمنت های صدفی، پولک های سیلیکای پوشش داده شده با فلز تشکیل شده اند. این رنگ ها انعکاس براقی دارند و بر اساس زاویه دید رنگ را تغییر می دهند و از این رو رنگ های متغیر نوری نامیده می شوند. باید ریزصفحات تراش داده شده از فیلم های نازک به رنگ اضافه شود تا رنگ مطلوب را بتوان به دست آورد. رنگ های مرواریدگون کاربردهای گسترده ای در لوازم آرایشی، رنگ ها و دکوراسیون پیدا کرده اند.
منابع:
نویسنده: حسن سلیمی (نویسنده اول) - کارشناسی ارشد - مهندسی نساجی - دانشگاه صنعتی امیرکبیر
رنگ نانوساختاری اُپل ها، صدف، مروارید
یکی از ویژگی های ساختارهای طبیعی، بازی رنگ ها است. بازی رنگ ها نمایش اثری رنگین کمانی می باشد. اما بدون میکروسکوپ های الکترونی نمی توان توجیه ساده ای برای رخ دادن این پدیده در ساختارهای طبیعی پیدا کرد. مثال های معروف این اثر رنگی، برق رنگین مروارید و جلوه رنگین کمانی اُپل زینتی است. هر دو ماده به وفور در جواهرات استفاده شده اند. اپل زینتی نوعی ماده معدنی است که از تجمع منظم ذرات SiO2 تشکیل شده است. این جذابیت در رنگ های براق و پرجلوه ی سطح برخی سنگ ها و پوسته ها، پروانه ها، سوسک ها، ماهی ها، و پرنده ها نیز وجود دارد که به علت وجود نانو و میکروساختارها در سطح آن ها ایجاد می شود(مانند سایر نانوساختارها در طبیعت). درک بهتر از تابش رنگی این سنگ ها نیز وقتی شکل گرفت که میکروسکوپ های الکترونی کاربردی شد.
علت رنگی بودن سنگ های اپل و صدف های آبالون برگشت نور منعکس شده از صفحات کریستالی مجاور هم است که تداخل سازنده ای دارند. این پدیده نوعی پراش یا تفرق با نام "براگ" است که علت اصلی آن ساختار رنگ هاست.
شکل1: پدیده تفرق و قانون براگ
نمونه دیگر پوست صدف هاست که شامل لایه های متناوب از مواد آلی و غیرآلی است. درخشش مروارید از تداخل سازنده واحدهای سلولی ساختار چند لایه متناوب کنار هم ایجاد شده است. سه نمونه در شکل 2 نشان داده شده است.
معمولآً یک ساختار چند لایه متناوب در طبیعت دو نوع لایه دارد که یکی ضریب شکست بالاتری از دیگری دارد. تداخل پرتو منعکس شده از سلول های مجاور نیز، ایجاد رنگی می کند که باید در انعکاس نشان داده شود.
ساختار صدف یکی از ساختارهای طبیعی می باشد که کاملا ًمورد بررسی قرار گرفته است. صدف ماده-ای سخت است و یک ماده رنگی مرواریدگون، لایه درونی آن را در پوسته نرم تن پوشانده است. میکروساختار صفحه ای در صدف طبیعی از صفحات شش وجهی آراگونیت تشکیل شده است که حدود 5 میکرومتر عرض و 0.5 میکرومتر ضخامت دارد و درون ماتریسی آلی از کنکیولین لفافه شده اند. آراگونیت شکل کریستالی کربنات کلسیم است. کنکیولین ماده ای طبیعی است که پایه آن پلی ساخاریدها و فیبرهای پروتئینی می باشد.
مروارید ساختاری پیازی شکل دارد که از لایه های متوالی کنکیولین و آراگونیت تشکیل شده است. هر دو ماده شفافند و به نور اجازه می دهند در تعداد زیادی از سلول های واحد نفوذ کند و بر اثر تداخل سازنده، نور به خوبی منعکس شود. تداخل سازنده میزان ظرافت در درخشندگی مروارید را تعیین می کند. این میزان به تعداد سلول های واحد ارتباط دارد که در انعکاس دخالت دارند. شفافیت و نازکی لایه های درون مروارید نیز در این امر موثر هستند. درخششی مانند مروارید از یک اثر با مقیاس بزرگ نیز نشات می گیرد که در ارتباط با عمق نفوذ نور در حجم می باشد. درخشش، آن را از درخشندگی سطحی برخی سنگ های یاقوت کبود متمایز می کند. بسیاری از مرواریدها و پوسته های حلزونی در کنار درخشش، اثر رنگی نیز دارند که می تواند با یک اثر پراش نوری از لبه های لایه های متوالی که شبیه به سفال های یک شیروانی روی هم افتاده اند، توجیه شود.
شکل 2: رنگهای ساختاری بر اساس ساختارهای چند لایه متناوب در (الف) نمونه های لابرادوریت (ب) پوست صدف و (ج) مرواریدها
سنگ های قیمتی اپل بهترین نمونه های رنگ های ساختاری هستند که از اثر پراش توری استفاده کرده-اند. اُپل های قیمتی لایه هایی از ذرات کروی فشرده شده ی روی هم به جنس سیلیکای آمورف تشکیل شده-اند که قطر D بین 150 الی 300 نانومتر دارند. لایه ها روی هم انباشته شده اند تا یک شبکه هگزاگونال (شش وجهی) و فشرده ی مکعبی را ایجاد کنند. درخشش و بازی رنگ ها در اُپل به خاطر پدیده براگ است.
در پدیده براگ اگر نور سفید به طور مایل به ساختار منظم کریستالی برخورد کند ( این ساختار را می-توان با دسته ای از صفحات موازی مجزا و واحد که فاصله هر یک با دیگری d می باشد، نشان داد) و موج تابشی با زاویه q نسبت به این صفحه ها وارد شود، در این صورت طول موج نور از رابطه1 به دست می آید.
رابطه 1 :
(....λ=(2d sinθ)/m, (m=1,2,3
در رابطه 1 نور منعکس شده از صفحات مجاور تداخل سازنده ای دارد.
برای یک اُپل هگزاگونال D=160nm که در آن d=130.6nm می شود، با neff 1.54 که مقدار معمول ضریب شکست موثر سیلیکا است، مشاهده می شود که رنگ آبی طول موج حدود 402 نانومتر می-تواند به شکل متمایزی از طیف مرئی متفرق شود. افزایش مقدار D به 275 نانومتر باعث می شود که رنگ قرمز با طول موج 692 نانومتر به شکل برجسته ای از طیف مرئی تفکیک شود. اگر کره های سیلیکایی در اپل خیلی بزرگ باشند (D>350 nm) بازی رنگ ها دیگر دیده نمی شود، چون بازگشت امواج با طول موج-های محدوده فروسرخ اتفاق می افتد. با این حال چرخاندن اپل برای کاهش زاویه
q
ممکن است به پدیده براگ در طول موج های کوتاه تر شیفت کند و بازی رنگ ها مجدداً با رنگ قرمز ظاهر شود. اُپل های قیمتی در طبیعت نادر هستند، اما معمولی آن زیادند. اپل های معمولی، ساختار منظم سنگ های اُپل قیمتی را ندارند و از این رو نور مرئی را متفرق نمی کنند. یک نمونه اپل معمولی، اپل آتشین است، یک سنگ نارنجی شفاف، که رگه های رنگی آن به خاطر مقادیر محدود اکسید آهن است. در مراتب اولیه ساختاری اپل های معمولی از تجمع تصادفی نانودانه های سیلیکا با قطرهای موثر متفاوت که به طور میانگین 25 نانومتر قطر دارند، ساخته شده اند. بنابراین دلیل اولیه ضعف بازی رنگ ها در سنگ های اپل کروی نبودن شکل و تنوع چندگانه در اندازه نانودانه های درون آن است.
شکل 3 : تصاویر( ´30000)SEMسطح برش خورده یک اُپل نشان می دهد که ذرات کروی فشرده سیلیکا در آن وجود دارد. (a) ساختار مکعبی (b) ساختار هگزاگونال.
بازسازی ذرات کروی با مواد دیگر با همان قطر و نظم منجر به تولید اپل های مصنوعی می شود. نمونه ی زیبای دو بعدی اُپل مصنوعی در شکل3 نشان داده شده است، که تصویر یک تک لایه از کره های پلی استایرن اصلاح شده با کربوکسیلات است. این کره ها به قطر 510 نانومتر با ساختار کریستالی فشرده (Closed pack) در کنار هم روی یک ویفر سیلیکونی قرار گرفته اند. رنگ های متمایزی که دیده می شود به زاویه دید و میزان فشردگی لایه ها ارتباط دارند.
شکل 4 : عکس یک تک لایه از کره های پلی استایرن اصلاح شده با کربوکسیلات که به صورت فشرده در کنار هم قرار گرفته اند. قطر کره ها 510 نانومتر است و روی یک ویفر سیلیکونی قرار گرفته اند(دانشگاه پنسیلوانیا).
ساختار ایده آل اُپل های قیمتی با سنتز کریستال های فوتونیک سیلیکا همراه با رسوبدهی دانه های 10 نانومتری و خودآرایی شیمیایی مورد کپی برداری قرار گرفته است.
فاکتور مهم برای مکانیزم های رنگی با صفحات چند لایه از کره های کوچک، قطر ذره می باشد. محلول غلیظ ذرات لاتکس با قطر حدود 150 تا 500 نانومتر در بررسی ها مورد استفاده قرار گرفته است. کره های لاتکس برای شبیه سازی اپل با قطر کوچک تر از طول موج مرئی در دسته های دو بعدی خودآرایی شده اند. لایه ها خود از یک یا چند لایه تشکیل شده اند. وقتی به این لایه ها نور سفید تابیده می شود، دسته نانوکره ها رنگ های پرشدت و یکنواختی را ایجاد می کنند. این رنگ ها از تداخل سازنده ی تنها چند لایه ایجاد شده-اند.
شدت رنگ ها، زمانی بیشتر می گردد که از یک زیرلایه شیشه ای با پوشش طلا استفاده می شود. هر رنگ با ضخامت خاصی مطابقت دارد. اگر نور تک رنگ به جای نور سفید استفاده شود، نوارهای هم رنگی با شدت های مختلف ظاهر می شوند. با تغییر طول موج نور تک رنگ تغییراتی در شدت نوارها مشاهده می شود. در مثالی که در شکل 5 نشان داده شده است، نوار زرد رنگ با یک چهارلایه چهاروجهی تولید شده و می توان آن را بین قسمت سبز با سه لایه شش وجهی و نوار چهار لایه قرمز با ساختار شش وجهی مشاهده کرد. با تغییر هندسه ی فشردگی در یک آرایه، می توان رنگ را تغییر داد.
شکل 5: الف) دسته لایه های رنگی با کره های 55 نانومتری که با میکروسکوپی در حالت انعکاسی مشاهده شده است. برای افزایش شدت رنگ ها، یک زیرلایه شیشه پوشش داده شده با طلا استفاده شده است. هر رنگ با یک ضخامت خاص از دسته لایه ها مطابقت دارد. نوار مرجع 100 میکرومتر است. ب) تصویر SEM که یک دولایه چهاروجهی (در مرکز) را بین یک تک لایه شش وجهی (در سمت راست) و یک دولایه شش وجهی (در سمت چپ) از کره های لاتکس به قطر 144 نانومتر نشان می دهد. نوار مرجع 1 میکرومتر است.
تغییرات پله ای در رنگ، در هر لایه در چنین دسته منظمی می تواند برای ایجاد و ثبت تصاویر رنگی مورد استفاده قرار گیرد.
جدول 2: رنگهای چند لایه خشک شده کره های لاتکس با قطر (55±4) نانومتر خودآرایی شده روی شیشه پوشش دهی داده شده با طلا
کریستال دو بعدی خشک میکروکره های لاتکس از نظر زیست محیطی پایدار است و رنگ هایی را ایجاد می کند که سال ها ماندگار می مانند. در تکنیک های چینش هدایت شده، یک زیرلایه شیشه ای با یک زاویه و سرعت مناسب از داخل یک محلول آبی با کره های همگن پلی استایرن بیرون کشیده می شود تا به ذرات اجازه دهد که روی یک شبکه دوبعدی منظم در سطح خودآرایی شوند. این تکنیک در محدوده وسیعی از ابعاد ذرات (از قطر حدود 100 نانومتر تا چندین میکرومتر) قابل استفاده است. هر ابعادی از ذرات سطح طرح دار متفاوتی را ایجاد می کند. در ادامه تکرار این کار با مواد مشابه آورده شده است. | تعداد لایه ها | ضخامت لایه(نانومتر) | رنگ در نور منعکس شده | تعداد لایه ها | ضخامت (نانومتر) | رنگ در نور منعکس شده |
| 1 | 47 | سرخ | 7 | 277 | قرمز |
| 2 | 85 | قهوه ای | 8 | 316 | آبی ارغوانی |
| 3 | 124 | آبی نیرودریایی | 9 | 354 | سبز |
| 4 | 162 | آبی آسمانی | 10 | 392 | زرد-سبز |
| 5 | 201 | زرد | 11 | 431 | نارنجی |
| 6 | 239 | نارنجی | 12 | 469 | قرمز |
شکل6: ساختار اپل و دو رنگ ساختاری حاصل از یک ساختار
در شکل 7 ساختار پلیمری منظمی از ذرات 202 نانومتری پلی استایرن و پلیمر PDMS در حفره ها به دلیل منظم قرار گرفتن لایه در محلول ایزوپروپانول نشان داده شده است که دو قسمت داخل و بیرون محلول در اثر رفتار متفاوت نور، طول موج های متفاوتی را منتشر نموده اند که نماینده ی آن ها رنگ های قرمز و سبز می باشد.
شکل7: ساختار ایجاد شده با نوارهایی با ساختارهای کریستالی مختلف و تصویر بزرگنمایی شده یکی از نمونه ها
رنگ های صدفی که رنگ های درخشنده مرواریدگون هستند، از مکانیزم تداخل چندلایه ای سنگ لابرادوریت به جای مواد قبلی استفاده کرده اند. بیشتر این رنگ های صدفی از پولک های ریز میکای پوشش داده شده از دی اکسید تیتانیوم (تیتانیا) استفاده شده است. مزیت بالای این رنگ ها، ثبات فوق العاده در تغییرات PH (تغییرت میزان اسیدی یا بازی بودن محیط)، نور و دمای معمولی است. دی اکسید تیتانیوم (ضریب شکست 2.5-2.7) ماده اولیه همه رنگ های سفید دیواری است، چون بالاترین میزان مات بودن را بین پیگمنت های شناخته شده دارد. مقدار کمی دی اکسید تیتانیوم برای تغییر رنگ ها به رنگ روشن کافی است. انتخاب رنگ در انتقال و انعکاس حاصل از روابط موجود محاسبه می شود. مثال هایی از ضخامت های مختلف پوشش و رنگ تداخلی منطبق بر آن در جدول 3 آورده شده است. به علت پهنای زیاد و انعکاس کم هر ریزصفحه، حجم متراکمی از پولک ها برای انعکاس بالا نیاز است. این رنگ ها، رنگ سفید را با درجه بالایی از درخشش مرواریدگون و با رنگ های تداخلی مختلف مانند زرد، قرمز، آبی، و سبز نشان می-دهند، که با دستکاری ضخامت پوشش به دست می آید.
وقتی یک رنگ که پولک های میکای پوشش داده شده با دی اکسید تیتانیوم دارد، روی یک زمینه سفید اعمال می شود. تنها یک درخشش مرواریدگون قابل مشاهده است، به آن علت است که بخشی از نور که از ریز صفحات رد شده و به زمینه سفید رسیده است، منعکس می شود و هم راستا با نور بازتابیده شده به سمت منبع باز می گردد.
شکل8: رنگ های منعکس شده و عبور داده شده به ضخامت t به پوشش دی اکسید تیتانیوم روی پولک های ریز میکا بستگی دارد.
| رنگ تداخلی | ضخامت تقریبی(nm) |
| زرد (طلایی) | 75 |
| قرمز (آهنربایی) | 90 |
| آبی | 120 |
| سبز | 145 |
| زرد (طلایی) | 160 |
| قرمز (آهنربایی) | 185 |
| آبی | 210 |
| سبز | 245 |
منابع:
کد:
[LEFT]
1. J. m. Benyus, Innovation inspired by nature Biomimicry, J. ECOS, No 129, 2006.
2. A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291
3. L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.
4. NatureTech Technology, video, part 1&2&3.
5. H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.
6. D. Lee, Nature’s palette: the science of plant colors, Univer¬sity of Chicago Press, Chicago, IL, USA (2007).
7. W.D. Bancroft, The colors of colloids. VII, J Phys Chem 23 (1919), 365–414.
8. H. Ghiradella, Light and color on the wing: structural colors in butterflies and moths, Appl Opt 30 (1991), 3492–3500.
9. K. Kumazawa and H. Tabata, Time-resolved fluores¬cence studies of the wings of Morpho sulkowskyi and Papilio xuthus butterflies, Zool Sci 13 (1996), 843–847.
10. A.L. Ingram and A.R. Parker, A review of the diversity and evolution of photonic structures in butterflies, incorporating the work of John Huxley (The Natural History Museum, London, from 1961 to 1990), Phil Trans R Soc Lond B 363 (2008), 2465–2480.[/LEFT]نویسنده: حسن سلیمی (نویسنده اول) - کارشناسی ارشد - مهندسی نساجی - دانشگاه صنعتی امیرکبیر
