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