Igazgató: Prof. BÁRSONY István DSc, H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226

MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

KERTÉSZ Krisztián #02C - SZERKEZETI SZÍNEK A TERMÉSZETBEN -
Témavezető: dr. KERTÉSZ Krisztián, Tel.:392-2222-3035, Épület:26., Szoba:21/a., E-mail:kertesz@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

elektromágneses hullámok
1. ábra. Különféle hullámhosszúságú elektromágneses hullámok.

Egyre több technikai és tudományos újdonságról derül ki, hogy a biológiai evolúció már évmilliókkal az ember megjelenése előtt sikerrel kialakította azok természetes megfelelőit. Így a nagy érdeklődést kiváltó fotonikus kristályok is, amelyek potenciális alkalmazásai a napfényben is jól látható síkképernyőktől a fénnyel működő számítógépig terjednek, már évmilliókkal azelőtt megjelentek és szinte tökélyre is fejlődtek, már jóval az előtt, hogy Yablonovitch 1987-ben megalkotta volna egyáltalán a fotonikus kristály fogalmát. Számos élőlény: színes lepkék és bogarak, madarak, emlősök és halak alkalmazzák a fotonikus kristályokat színképzésre. Ezek tanulmányozása azért is izgalmas, mert olyan "mérnöki ötleteket csenhetünk el" az élővilágból, amelyeknek a kifejlesztési költségeit "megspórolhatjuk", ezt nevezik bioinspirációnak.

Ha fényjelenségekről beszélünk, lehet a fény részecske, illetve hullámtermészetén át közelíteni a kérdést. Mi most a fény hullámként (elektromágneses hullámként) való viselkedését tekintjük. Az elektromágneses hullámok hullámhosszuk szerint különböző képpen léphetnek kölcsönhatásba az anyaggal. Az emberi szem számára színként jelentkezik a kb. 400 nm (ibolya) és 700 nm (vörös) közötti tartomány (1. ábra).
jellegzetes spektrumok
2. ábra. Különféle fényforrások jellegzetes spektruma.

Ha minden egyes hullámhossz együttesen jelentkezik (a napfénynél megszokott arányban), azt a szem fehér fényként érzékeli. Ettől eltérő intenzitással keverve az összetevőket, ún. kevert színeket látunk. A pontos összetétel megmérésére alkalmas eszköz az optikai spektrométer. Segítségével meghatározhatjuk a különböző hullámhosszú összetevők intenzitásainak valódi arányát.

Különböző fényforrások által sugárzott jellegzetes spektrumokat látunk a 2. ábrán (noon sunlight = napfény, white LED = fehér fényű LED, tungsten lamp = izzólámpa, mercury vapor lamp = higanygőz lámpa, bar code scanning laser = vonalkód leolvasó lézer).

Környezetünk színei a legtöbb esetben valamilyen festékanyagtól származnak, vagyis kémiai eredetűek. Színek képzésére egy másik lehetőség, ha a fehér fényből valamilyen módon elválasztunk egyes összetevőket. Ennek legegyszerűbb ismert példája a prizmán való fénytörés, de bárki által kipróbálható a CD barázdáin fellépő diffrakció is (3. ábra).


refrakció és diffrakció
3. ábra. A fehér fény színeire bontása prizmával (fénytörés) és optikai ráccsal (diffrakció).



Ha a fény olyan közegbe kerül, ahol periodikusan ismétlődnek az optikai jellemzők (például a törésmutató), és az ismétlődő részek méretei összemérhetőek a fény hullámhosszával, kialakulhatnak olyan hullámhossz-tartományok, amelyekben a fény nem tud behatolni az anyagba, onnan visszaverődik a közeg felületéről. Az ilyen anyagot fotonikus kristálynak nevezzük. Hogy éppen milyen hullámhosszak terjedhetnek vagy verődnek vissza, az a közeg nanoméretű szerkezetének, és a törésmutató arányainak a függvénye. A jelenség előfordul a természetben is, ekkor természetes fotonikus szerkezetről beszélünk. Például egyes lepkék szárnyainak a színét ilyen szerkezetnek köszönhetik. A fotonikus kristálytól eredő szín általában kék vagy zöld, a csillogó szárnyakra jellemző. A szárnyakat beborító kb. 50 mikrométer szélességű pikkelyek hordozzák azt a párszáz nanométeres (ez éppen a fény hullámhossza!) távolságokkal leírható, kitinből és levegőből felépülő szerkezetet, amelyek bizonyos irányokban erőteljesen visszaverhetik a fény bizonyos hullámhossz tartományait és ezáltal színesnek látjuk a lepke szárnyát.





lepkeszárny
4. ábra. Balról jobbra: Kék színű szárnyak, Pikkelyek kapcsolódása a szárnyhoz, Színt adó nanoszerkezet.


animáló lepkeszárny
5. ábra. A szög függvényében színét változtató lepkeszárny.


Gyakori a természetes szerkezeti színekre is a nagyon hangsúlyos irányfüggés, vagyis az érzékelt fényvisszaverés erőteljesen függ a felület megvilágítási és megfigyelési szögétől. Ez a jelenség is tanulmányozható a spektrométerrel, ha a minta megvilágító és megfigyelési szögét változtatni tudjuk. A felvételen egy Morpho lepke látható, a megvilágító fényforrás szöge változik (az árnyék vándorlásából követhető).









A diák a gyakorlat során megismerkedik az optikai spektrométer működésével és a különböző mérési elrendezésekkel. Lepkeszárnyakból megfelelő mintákat készít, és azokon méréseket végez. A mért spektrumokat elemzi, összehasonlítja. (Fénytani ismeretek előnyösek ha vannak, de ez nem kizáró feltétel.)

TOVÁBBI INFORMÁCIÓK:
Nanoszerkezetek Osztály honlapja, MTA MFA
Nanoszerkezetek Osztály honlapja angolul
20101001,06h00, (www.eletestudomany.hu): Nyári iskola az MTA MFA-ban, Tuza Réka: "Színes és acélkemény porok - Szerkezeti színek a természetben" (1262-1263 oldal)
.htm, .mht, .jpg, .pdf





TV-ből digitalizált videók a laborban folyó munkákkal kapcsolatban:

2014.10.18.-4':35", LETÖLTÉS (AVI, 82 MByte)

Evolúció, matematika és lepkeszárnyak
2008.12.20.-4':53", LETÖLTÉS (MPEG1, 47 MByte)

Fluoreszkáló lepkeszárnyak
2005.02.19.-5':12", LETÖLTÉS (MPEG1, 44 MByte)

Fotonika - avagy az elektronika lehetséges jövője.
2004.12.03.-5':23", LETÖLTÉS (MPEG1, 46 MByte)

Mitől színes a lepkék szárnya?
2003.03.16.-6':31", LETÖLTÉS (MPEG1, 55 MByte)

Tanuljunk fotonikát a pillangóktól!


ELÉRHETŐSÉGEK:
Témavezető: KERTÉSZ Krisztián, Tel.:392-2222-3035, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26., Szoba:21/a., E-mail:
kertesz@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

Utolsó frissítés: Tue, 05 May 2015 12:43:08 GMT, Számláló: