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Juni 2003

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515 Millionen Jahre Strukturfarben Nanooptik in biologischen Systemen. Juni 2003. Rezente Tierarten. Wie werden Farben „erzeugt “. Physikalisch Nanostrukturen. Chemisch. Pigmente. Absorption. Emission. Reflexion. Streuung. Brechung. Beugung. Interferenz. Reflexion / Brechung.

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Presentation Transcript
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515 Millionen Jahre Strukturfarben

Nanooptik in biologischen Systemen

Juni 2003

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Wie werden Farben „erzeugt“

Physikalisch

Nanostrukturen

Chemisch

Pigmente

Absorption

Emission

Reflexion

Streuung

Brechung

Beugung

Interferenz

slide4

Reflexion / Brechung

in Schichtsystemen

Periodisch

Regulär / irregulär

Eindimensionaler photonischer Kristall

Aperiodisch

Beugung

Reflexionsgitter

Transmissionsgitter

Zweidimensionaler photonischer Kristall

Dreidimensionale Strukturen

Dreidimensionaler photonischer Kristall

eine 4 schicht
Eine /4 Schicht:

Interferenz an dünnen Schichten

Reflexion und Transmission

Interferenzbedingungen (Bragg)

Reflexion 8%

( Phasenshift p)

Zytoplasma n = 1.34

konstruktiv 2n2d cos b = (K-0,5) l

destruktiv

2n2d cosb = Kl

Guanin n = 1.83

a

Reflexionsgrad

d

b

n2

Brechungsgesetz

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Interferenz an Multischichten

Transmission, 125 Doppelschichten

Coupled Wave Equations

Überlagerung von hin- und rücklaufender Welle:

a(z) - langsam sich ändernde Amplituden

Reflexion, 125 Doppelschichten

Eindimensionaler photonischer Kristall

kleines n  Schmalbandreflektor

slide7

Lichtmikroskopische Aufnahme

Natürlicher Schmalbandreflektor

Schichtreflexion in Kombination mit dem Pigment Melanin

Keratin / Luft

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Vom Schmalband – zum Breitbandreflektor

regulär

chaotisch

„chirp“

slide9

Silberfische

GuanineKristalle

60-160nm

Zytoplasma

80 –200 nm

Schichten:ca 200

Breitbandreflexion an Multischichten

TEM Aufnahme

einer Chitin / Luft Multischicht

Luft

Chitin

violett

Scale 1 micron

slide10

Schmalbandreflexionam Reflexionsgitter

80 micron

1 micron

100nm

Dependence of absolute reflectivity on wavelength of two Morpho butterflies, M. didius (star/cross data) and M. rhetenor (circled data).(Transmission through scales is shown on the inset graph).

This data is published in Proc. Roy. Soc. B

slide11

Natürlich vorkommende Gitter

Schmetterlingsflügel

Luft / Chitin

Aceton/ Chitin

slide12

Gittergleichung:

1

2

Reflexionsgitter

Gitternormale

0

a

b

1

2

g

Nachteile: maximale Intensität in der 0.Ordnung

Überlappung in höheren Ordnungen

slide13

Gittergleichung:

Gitternormale

Flächennormale

MaximaleEffizienz = Blazebedingung

f

0

a + f = b - f = r

1

Blazewinkel: f = 0.5 ( b - a )

a

2

b

1

g

Echelette-Gitter

wiwaxia corrugata burgess shale 515 ma first accurate colour reconstruction of a cambrian animal
Wiwaxia corrugata (Burgess shale, 515 Ma). First accurate colour reconstruction of a Cambrian animal.

Cambrische Explosion 515 Millionen Jahre

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Natürliche zweidimensionale photonische Kristalle

Chitin n= 1.53

Seewasser 1.33

88 Schichten

Sea mouse

Abstand: ca.500nm

TEM

2001 A. Parker

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The end of a PBG fibre. The other end of the fibre is illuminated with white light.

Gittergleichung:

Konzept wurde 1987entwickelt

E. Yablonovitch Bellcore Labs N.Y.

S. Johnston MIT

Zweidimensionaler

photonischer Kristall

SEM einer PBG Fiber

.Diameter 40 microns

2003 existieren 2 Firmen,

welche 2D photonische Kristalle

herstellen ( DK, UK)

März 2003 erste Fiber

kommerziell erhältlich

( 1 km Länge, Glasfaser)

PBG Fiber

Transmissionsbeugungsgitter in

Z-Richtung ausgedehnt

Transmissionsgitter

1

-1

0

1

-1

0

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3-d PBG Strukturen

„Übereinanderschachteln“ verschiedener Strukturen

unterschiedlicher Größenskalen gestattet die Reflexion

verschiedener Wellenlängenbereiche

des elektromagnetischen

Spektrums

PBG im IR

im VIS?

Herstellung:

Lithographisch

Templattechnik

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Schlussfolgerung

In biologischen Systemen wird eine Vielzahl von Strategien

verwendet, um Strukturfarben zu erzeugen

Es handelt sich um Kombinationen von Beugung, Reflexion

und Interferenz bzw. Streuung

Kombination verschiedener Überstrukturen führt zu einer

Bandbreite reflektierter Wellenlängen unabhängig vom

Einfallswinkel- natürliche Existenz 1-, 2- und 3d photonischer

Strukturen

Möglicherweise ergeben sich aus der Untersuchung biologischer

Strategien neue Herstellungsmethoden und Materialien für

dreidimensionale PBG Strukturen

slide20

Coupled Wave Equations

Überlagerung von hin- und rücklaufender Welle:

a(z) - langsam sich ändernde Amplituden

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Luft / Chitin

Aceton/ Chitin

ad