Biró László Péter MEGHÍVOTT ELŐADÓ
HUN-REN EK MFA, Budapest
Szerkezeti színek lepkeszárnyon: a szexuális kommunikációtól a fotokatalízisig
Biró László P.(1), Piszter Gábor(1), Kertész Krisztián(1), Baji Zsófia(1), Vértesy Zofia(1), Horváth Zsolt E.(1), Márk Géza I.(1), Kovács Dávid(1), Zámbó Dániel(1), Bálint Zsolt(2), Nagy Gergely(3), Pap József S.(3)
(1)HUN-REN, Energiatudományi Kutatóközpont, Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet, Budapest, Magyarország
(2)Magyar Természettudományi Múzeum, Budapest, Magyarország
(3)HUN-REN, Energiatudományi Kutatóközpont, Felületkémiai és Katalízis Laboratórium, Budapest, Magyarország
A visszavert fény színe attól függ, hogy milyen változásokat szenved az adott felületről visszaverődő fehér fény. Két nagyon eltérő módon lehet visszavert színt létrehozni: a fény szelektív elnyelése által (“kémiai szín” atomok és molekulák elnyelése), és a fény szelektív visszaverése által (“fizikai szín” fotonikus kristály típusú nanoarchitektúrák visszeverése).
A fotonikus kristály típusú nanoarchitektúrák két átlátszó anyag kompozitjai, amelyeknek eléggé eltér a törésmutatója ahhoz, hogy kialakuljon az ún. fotonikus tiltott sáv (photonic band gap, PBG) [1]. A PBG hasonló a szilárdtestfizikából elektronok esetében jól ismert tiltott sávhoz, ettől eltérően azonban, nem atomi léptékű szerkezetekben, hanem olyanokban képződik, amelyekben a törésmutató váltakozása a fény hullámhosszával megegyező skálán történik. Ha az alkotó anyagok törésmutatója eléggé különbözik, akkor egy megadott hullámhossz tartományban a fény képtelen terjedni a PBG agyagban, és visszaverődik a felszínéről.
Igen figyelemre méltó, hogy a biológiai evolúció sok millió évvel az emberek előtt fedezte fel a fotonikus nanoarchitektúrákat. Például, a lepkék kék és zöld színei szerkezeti eredetűek. A BPG nanokompozit kitinből és levegőből épül fel. Komplex nanoarchitektúrák fordulnak elő számos lepkefaj fedőpikkelyeiben és egy elképesztően szép, széles színtartományt fednek le az UV-tól a zöldig [2]. A szerkezeti színek leggyakrabban a hímek szárnyain fordulnak elő és a párkereséséi szexuális kommunikáció során játszanak szerepet.
A fotokatalízis során a bőségesen rendelkezésre álló napenergia közvetlenül kémiai átalakulásokat idéz elő – a fény által gerjesztett töltéshordozó segítségével – egy félvezető felszínén adszorbeálódott molekulákban. A töltéshordozó fény általi gerjesztése akkor történhet meg, ha a félvezetőre eső fény energiája elégséges ahhoz, hogy az elektronokat a tiltott sáv fölé gerjessze, vagy olyan körülmények állnak elő, hogy több fénykvantum egyidejű elnyelése gerjessze az elektront. Ez utóbbi folyamat elősegíthető az ún. „lassú fény” jelenség által, ami a PBG anyag felszínén jön létre. Ennek alkalmazásával a ZnO – egy olcsó, bőségesen hozzáférhető, de sajnos UV tiltott sávval rendelkező félvezető – fotokatalítikus hatékonysága jelentősen növelhető a látható fénnyel történő megvilágítás során. A szerkezeti színnel rendelkező lepkeszárnyakkal néhány nanométeres, konformális ZnO réteggel történő beborítás, és Cu2O nanorészecskékkel dópolás után megvalósítható ez a célkitűzés [3].
Források: Ezt a kutatást a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal – NKFIH támogatta az OTKA PD 143037 (G.P.) and OTKA FK 142148 (Z.B.) projektek kertében. A TKP2021-NKTA-05 (L.P.B.) projektet a Kulturális és Innovációs Minisztérium támogatta a TKP21021 program keretében. A szerzők köszönetet mondanak az Európai Unió Szerkezeti és Beruházási Programja keretében a VEKOP-2.3.3-15-2016-00002 támogatásért. P. G. munkáját a Bolyai Ösztöndíj támogatta.
[1] Biró, L. P., & Vigneron, J. P. (2011). Photonic nanoarchitectures in butterflies and beetles: Valuable sources for bioinspiration. Laser and Photonics Reviews, 5(1), 27–51. https://doi.org/10.1002/lpor.200900018
[2] Piszter, G., Kertész, K., Bálint, Z., & Biró, L. P. (2023). Wide-gamut structural colours on oakblue butterflies by naturally tuned photonic nanoarchitectures. Royal Society Open Science, 10(4). https://doi.org/10.1098/rsos.221487
[3] Piszter, G., Kertész, K., Kovács, D., Zámbó, D., Baji, Z., Illés, L., Nagy, G., Pap, J. S., Bálint, Z., & Biró, L. P. (2022). Spectral Engineering of Hybrid Biotemplated Photonic/Photocatalytic Nanoarchitectures. Nanomaterials, 12(24), 4490. https://doi.org/10.3390/nano12244490