Tailoring disorder in functional optical materials using a combined materials engineering and bioinspiration approach

利用材料工程和生物启发相结合的方法定制功能光学材料的紊乱

基本信息

项目摘要

The intricate photonic structures found in the scales of white beetles are a paradigm for tailored disorder in nature: the scattering strength has been optimized with respect to the low available refractive index contrast, the weight of the structure, its volume as well as its stability. These properties are static, however. Nature also excels in systems, which adjust their shape or other properties depending on external stimuli like humidity or temperature. We want to use this self-actuation in this project, to derive artificial photonic materials, which change their properties under external stimuli. We start with our cellulose-based photoresist and extend it to the poly-saccharide chitin. Via three-dimensional laserlithography we fabricate strong scattering structures from these materials. As blueprint we use a model developed by us, which follows the construction principle of the white beetle’s scales. Embedding swellable materials into the structures (e.g. cellulose spheres), critical dimensions can be tuned in dependence of humidity. This allows us to switch the material from a nearly transparent state (collapsed material, strong optical crowding) to a highly scattering state (open structure). Our approach might open the way to bio-based materials, whose optical properties can be controlled by external stimuli.
在白色甲虫的鳞片中发现的复杂光子结构是自然界中定制无序的范例:散射强度已经相对于低可用折射率对比度、结构的重量、其体积以及其稳定性进行了优化。然而,这些属性是静态的。大自然也擅长于系统,这些系统可以根据湿度或温度等外部刺激来调整其形状或其他属性。我们希望在这个项目中使用这种自驱动,来获得人工光子材料,这些材料在外部刺激下改变它们的特性。我们从我们的纤维素基光致抗蚀剂开始,并将其扩展到多糖甲壳素。通过三维激光光刻,我们从这些材料制造强散射结构。作为蓝本,我们使用我们开发的模型,它遵循白色甲虫的鳞片的建设原则。将可溶胀材料嵌入结构中(例如纤维素球),可以根据湿度调整临界尺寸。这使我们能够将材料从几乎透明的状态(塌陷材料,强光学拥挤)切换到高度散射状态(开放结构)。我们的方法可能为生物基材料开辟道路,其光学特性可以通过外部刺激来控制。

项目成果

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