Studio di nanofabbricazione e colorazione di ali artificiali di farfalle Morpho con strati di lamelle allineate

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 16637 (2015) Citare questo articolo

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Il colore blu brillante e iridescente delle ali della farfalla Morpho ha attirato per molto tempo l'attenzione di tutto il mondo per esplorare la sua natura misteriosa. Sebbene la fisica del colore strutturale delle strutture nanofotoniche costruite sulle scaglie delle ali sia ben consolidata, le repliche della struttura dell'ala mediante litografia top-down standard rimangono ancora una sfida. Questo articolo riporta una svolta tecnica per imitare il colore blu delle ali delle farfalle Morpho, sviluppando un nuovo processo di nanofabbricazione, basato sulla litografia a fascio di elettroni combinata con sviluppo/dissoluzione alternata di PMMA/LOR, per strutture fotoniche con multistrati di lamelle allineate in polimeri incolori. La relazione tra la colorazione e le dimensioni geometriche e le forme viene analizzata sistematicamente risolvendo le equazioni di Maxwell con un simulatore di differenza di tempo nel dominio finito. Viene eseguita un'attenta caratterizzazione del blu imitato mediante misurazioni spettrali sia sotto angoli normali che obliqui. Il colore strutturale in blu riflesso dalle scaglie delle ali fabbricate viene dimostrato e ulteriormente esteso al verde come esercizio di applicazione della nuova tecnica. Vengono analizzati gli effetti della regolarità delle repliche sulla colorazione. In linea di principio, questo approccio stabilisce un punto di partenza per imitare i colori strutturali oltre il blu nelle ali delle farfalle Morpho.

Il colore strutturale è frequente nelle farfalle1,2,3,4,5, negli scarafaggi6 e negli animali marini7,8, ecc. Tra questi, gli esempi più citati sono le farfalle Morpho9,10,11,12, che vivono in Sud America. La colorazione delle ali della farfalla mostra una serie di caratteristiche uniche come un'ampia iridescenza blu, lucentezza brillante, aspetti simili a macchioline, elevata resistenza allo scolorimento, elevata sensibilità all'ambiente e spettri indipendenti dall'angolo13,14. Sin dalla prima osservazione della struttura interna con un potente microscopio elettronico a scansione (SEM)15, sono state ampiamente condotte ricerche sostanziali sull'origine della colorazione da parte delle elaborate nanostrutture nelle ali delle farfalle Morpho16,17,18, guidate da ampie applicazioni potenziali. Le applicazioni previste includono abbigliamento tessile iridescente19, rivestimenti funzionali20, codifica di sicurezza del colore ineguagliabile21, celle solari efficienti22, sensori di gas altamente selettivi23,24, sensori chimici con eccellente sensibilità e selettività25,26 e dispositivi di imaging a infrarossi ad alta velocità27,28, ecc. per il successo nell'interpretazione precisa della colorazione è quello di stabilire una metodologia tecnica affidabile per l'architettura della struttura periodica su scala micro e nanometrica su scala di ali di farfalla, che è anche un passo inevitabile verso le sue applicazioni nella vita quotidiana. Come mostrato schematicamente dall'architettura originale in Fig. 1a, la scala alare è ricoperta da creste parallele con altezze casuali l'una dall'altra. Sulla parete laterale di ciascuna cresta è in realtà presente una struttura lamellare costituita da strati alternati di cuticola e aria. Questo tipo di nanostrutture ha rappresentato una sfida ardua nella replicazione a causa delle variazioni 3D nel profilo. Anche se sono stati segnalati numerosi tentativi. Saito et al.29,30 e Chung et al.31 hanno imitato il colore blu con un'ampia visione angolare mediante deposizione multistrato di TiO2/SiO2 su una sottostruttura irregolare. Watanabe et al.32 hanno fabbricato una replica delle scaglie delle farfalle Morpho e hanno osservato il riflesso del colore blu utilizzando la deposizione chimica da vapore a fascio ionico focalizzato (FIB-CVD). Huang et al.33, Zhang et al.34,35,36, Kang et al.37 e Chen et al.38,39 hanno utilizzato farfalle come bio-modelli per sintetizzare le nanostrutture 3D mediante ossidi metallici o polidimetilsilossano (PDMS) e hanno riportato che la replica può riflettere diversi colori con varie dimensioni di reticolo e indici di rifrazione. Tuttavia, tutti gli approcci riportati non erano basati sul processo standard di nanolitografia top-down con ampia area, rendimento elevato e basso costo. L'unica eccezione è che Aryal et al.40 hanno recentemente introdotto un metodo per la nanofabbricazione di grandi aree mediante tecniche industrializzate e la successiva nanoimpronta di scaglie di ali di farfalla 3D. Purtroppo la sua colorazione ottica non è caratterizzata. Inoltre, la maggior parte delle nanostrutture imitate utilizza materiali inorganici, con il risultato che le repliche mostrano colori diversi dalla vera farfalla Morpho perché le proprietà ottiche dei materiali inorganici sono diverse da quelle della cuticola nelle scaglie delle ali della farfalla reale.