Beetles' bright colors may influence new light technology

رنگ‌هاي برّاق سوسک مي‌تواند در فناوري جديد نور مؤثر باشد

 

These scarab beetles have structural defects that cause their bright colors. Credit: Brink et al.
 
اين سوسک‌هاي سرگين – غلتان داراي نقص‌هاي ساختاري هستد که رنگ‌هاي براق آن‌ها را به وجود مي‌آورد.
 
 

در بررسي رنگ‌هاي سبز و قرمز برّاق انواعي از سوسک سرگين- غلتان، دانشمندان دريافته‌اند که طيف بازتابي غيرعادي آن‌ها ناشي از نقص‌هايي در ساختار لايه‌ي خارجي، يا پوسته‌ي سخت آن‌هاست؛ شناخت چگونگي توليد رنگ‌هاي براق توسط اين ساختار مي‌تواند به دانشمندان کمک کند تا بازتابنده‌هاي نانومتري کايرالی را براي استفاده در فناوري‌هاي نمايش دادن و ليزر در آينده طراحي کنند.

 

در حالي که بيش از 30000 نوع مختلف سوسک سرگين غلتان در سراسر جهان وجود دارد، نمونه‌هاي مورد بررسي از نوع خاصي بودند که عمدتاً در جنوب افريقا پيدا مي‌شود. در اوايل سال‌هاي 1900، دانشمندان متوجه شدند که اين نوع سوسک نورکاملاً چپگرد ( با قطبش دايره‌اي چپگرد) و بدون هيچ مؤلفه‌اي از نور راستگرد- را باز مي‌تاباند که تنها مثال شناخته شده‌ي اين پديده در طبيعت است.

 

در دهه‌ها بعد، دانشمندان علت اين رجحان نامتقارن را کشف کردند. پوسته‌ي سوسک از تعداد زيادي لايه‌ي متشکل از رشته‌هاي مويين تشکيل شده است که موازي هم قرار دارند، که باعث مي‌شوند نور با قطبش در امتداد رشته‌ها را  ترجيح دهند. هر لايه نسبت به لايه‌ي بالاتر از خود اندکي چرخيده است که باعث تشکيل توده‌اي مارپيچي مي‌شود که به طرف چپ مي‌چرخد. اين ترتيب قرار گرفتن لايه‌ها نور با قطبش دايره‌اي چپگرد را باز مي‌تاباند، که با شکل مارپيچي موجي که به طرف چپ مي‌چرخد بيان مي‌شود.

 

يوهان برنيک مي‌گويد : اين که چرا طبيعت به سوسک سرگين- غلتان اين ويژگي را داده است که فقط نور چپگرد را باز بتابانند پرسش دشواري است. رنگ‌آميزي حشرات معمولاً نوعي سازش بين قابليت استثار و کوشش در جهت يافتن جفت است. در برخي موارد (معمولاً براي زرد، سياه و سرخ)، اين رنگ هشداري به شکار گران در جهت  سمّي بودن آن‌هاست. احساس من اين است که اين سوسک‌هاي سرگين- غلتان مي‌کوشند تا باپهن‌تر کردن نوار بازتاب خود را قابل رؤيت‌تر سازند. با اين همه اين ايده هنوز به صورت کامل به اثبات نرسيده است.

 

دانشمندان ديگر عضو اين گروه بررسي توضيح دادند که چرا اين سوسک‌هاي سرگين- غلتان فوق‌العاده برّاق داراي طيف بازتابي هستند که قله‌هاي آن با طيف‌هاي هموار و کم‌تر برّاق ساير سوسک‌ها تفاوت دارد.

 

برنيک مي‌گويد: « از ناسازگاري‌ بين محاسبه‌ها  و طيف‌هاي اندازه‌گيري شده و محاسبه‌هاي مبتني بر ساختار کايرال کامل ، فکر مي‌‌کنيم چيزي در ساختار آن‌ها « غلط » است. آزمون و خطا کشف کرده‌ايم که مي‌توان با فرض وجود نقص‌هايي در سازمان لايه‌هاي طيف‌ها را با تقريبي خوب شبيه‌سازي کرد. فقط وقتي فهميديم که بايد دقيقاً دنبال چه چيزي بگرديم، متوجه شديم که شگرد کار سوسک‌ها چيست».

 

با تاباندن نور به لايه‌هاي خارجي و تحليل نور بازتابيده، دانشمندان متوجه شدند که مدوله شدن عميق طيف‌ها قله‌هاي خوش تعريفي را به وجود مي‌آورد که نشان‌گر وجود اختلال‌هايي در لايه‌هاي مارپيچي پوسته‌ي خارجي است.

 

با يک ميکروسکوپ الکتروني روبشي، اين گروه نقص جالب توجهي را يافته‌اند. گرچه در نگاه اول به نظر مي‌رسد که لايه‌هاي متشکل از تارهاي چويين داراي فاصله‌هاي مساوي هستند، اما دانشمندان نقطه‌اي را شناسايي کردند که در آن فاصله‌ي لايه‌ها ناگهان در حدود 10% در سطح ميکروسکوپي تغيير مي‌کند. با توجه به  مدل دانشمندان، اين جهش ناگهاني نوار بازتابي را چهار برابر چيزي که از يک توده‌ي مارپيچي کامل به دست مي‌آيد پهن مي‌کند.

 

همين‌طور، اين دانشمندان کشف کردند که چرا بعضي از اين سوسک‌ها قرمزند و بعضي سبز. با فرض اين که هر دو نوع از يک ماده ساخته شده باشند، تنها تفاوت ناشي از اختلاف ضخامت لايه‌‌ي خارجي است. همين‌طور، رنگ‌هاي مختلف در يک سوسک- مانند لبه‌هاي سبز در يک سوسک قرمز، يا لبه‌هاي آبي يک سوسک سبز- وقتي به وجود مي‌آيد که زاويه‌ي تابش افزايش يابد.

 

برنيک مي‌گويد: « فکر مي‌کنيم نمونه‌ي سبز، احتمالاً به علت شرايط خشک‌تر، کُندتر رشد مي‌کند» نمونه‌هاي قرمز بيش‌تر در نواحي مرطوب‌تر ( و سبزتر) يافت مي‌شوند که در آن‌جا باسرعت بيش‌تري رشد و لايه‌هاي ضخيم‌تري را توليد مي‌کنند. اين موضوع با ايده‌هاي قابل مشاهده‌تر شدن آن‌ها سازگار است.»

 

دانشمندان مي‌گويند شناخت اين‌که چگونه مهندسي » ناکامل» طبيعت ويژگي‌هاي اپتيکي سوسک سرگين- غلتان را بهبود مي‌بخشد مي‌تواند به کاربردهايي در فناوري نمايش دادن و ليزز بينجامد.

 

به گفته‌ي برنيک «‌کاربردهاي ممکن اين نوع مهندسي نقص» مي‌تواند بازتابنده‌‌هاي ليزر با نوار پهن براي ليزرهاي نيم‌رسانا و صافي‌هاي داراي نوار باريکي باشد که گاهي در طيف سنجي براي شناسايي و طبقه‌بندي  مواد وکاني‌ها به کار مي‌روند.»