라멜라 층이 정렬된 인공 모르포나비 날개의 나노제조 및 착색 연구

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16637(2015) 이 기사 인용

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모르포나비의 날개에서 나오는 밝고 무지개 빛깔의 푸른색은 오랫동안 그 신비한 자연을 탐구하여 전 세계의 주목을 받아왔습니다. 날개 비늘에 구축된 나노광자 구조에 의한 구조적 색상의 물리학은 잘 확립되어 있지만 표준 하향식 리소그래피에 의한 날개 구조의 복제는 여전히 과제로 남아 있습니다. 이 논문은 무색 폴리머에 정렬된 라멜라 다층이 있는 광자 구조에 대해 대체 PMMA/LOR 개발/용해와 결합된 전자빔 리소그래피를 기반으로 하는 새로운 나노제조 프로세스를 개발하여 모르포 나비 날개의 파란색을 모방하는 기술적 혁신을 보고합니다. 유한 도메인 시차 시뮬레이터를 사용하여 맥스웰 방정식을 풀어 색상과 기하학적 치수 및 형상 간의 관계를 체계적으로 분석합니다. 법선 및 경사각 모두에서 스펙트럼 측정을 통해 모방된 파란색의 특성을 주의 깊게 분석합니다. 제작된 날개 비늘에 의해 반영된 파란색의 구조적 색상이 시연되었으며 새로운 기술의 적용 연습으로 녹색으로 더욱 확장되었습니다. 복제물의 규칙성이 착색에 미치는 영향을 분석합니다. 원칙적으로 이 접근 방식은 모르포 나비 날개의 파란색 이외의 구조적 색상을 모방하기 위한 출발점을 설정합니다.

구조적 색상은 나비1,2,3,4,5, 딱정벌레6, 해양 동물7,8 등에서 자주 볼 수 있습니다. 그 중 가장 널리 인용되는 예는 남미에 서식하는 모르포나비9,10,11,12입니다. 나비 날개의 착색은 넓은 파란색 무지개 빛깔, 화려한 광택, 얼룩 같은 측면, 변색에 대한 높은 저항성, 환경에 대한 높은 민감도 및 각도 독립적 스펙트럼과 같은 여러 가지 고유한 기능을 나타냅니다. 강력한 주사전자현미경(SEM)15을 사용하여 내부 구조를 처음 관찰한 이후 모르포 나비 날개의 정교한 나노구조에 의한 착색의 기원에 대한 실질적인 연구가 광범위하게 잠재적인 응용을 통해 광범위하게 수행되었습니다. 예상되는 응용 분야에는 무지개 빛깔의 섬유 의류19, 기능성 코팅20, 비교할 수 없는 색상 보안 코딩21, 효율적인 태양 전지22, 선택성이 높은 가스 센서23,24, 뛰어난 감도와 선택성을 갖춘 화학 센서25,26 및 고속 적외선 이미징 장치27,28 등이 포함됩니다. 착색을 정확하게 해석하는 데 성공하려면 나비 날개 규모의 마이크로 및 나노 규모의 주기적 구조 구조에 대한 신뢰할 수 있는 기술적 방법론을 확립해야 하며, 이는 일상 생활에 적용하기 위한 불가피한 단계이기도 합니다. 그림 1a의 원래 아키텍처에 개략적으로 표시된 것처럼 날개 규모는 서로 임의의 높이를 가진 평행한 능선으로 덮여 있습니다. 각 능선의 측벽에는 실제로 큐티클과 공기의 교대로 구성된 층상 구조가 나타납니다. 이러한 종류의 나노구조는 프로파일의 3D 변형으로 인해 복제가 어려운 과제였습니다. 그럼에도 불구하고 수많은 시도가 보고되었습니다. Saito et al.29,30 및 Chung et al.31은 불규칙한 하부 구조에 TiO2/SiO2의 다층 증착을 통해 넓은 각도에서 볼 수 있는 파란색을 모방했습니다. Watanabe 등은32 집속 이온빔 화학 기상 증착(FIB-CVD)을 사용하여 모르포 나비 비늘의 복제품을 제작하고 파란색 반사를 관찰했습니다. Huang et al.33, Zhang et al.34,35,36, Kang et al.37 및 Chen et al.38,39는 나비를 바이오 템플릿으로 사용하여 금속 산화물 또는 폴리디메틸실록산(PDMS)에 의한 3차원 나노구조를 합성하고 보고했습니다. 다양한 격자 크기와 굴절률로 인해 복제본이 다양한 색상을 반사할 수 있다는 것입니다. 그러나 보고된 모든 접근 방식은 넓은 면적, 높은 수율 및 저렴한 비용을 갖춘 표준 하향식 나노리소그래피 프로세스를 기반으로 하지 않았습니다. 단 한 가지 예외는 Aryal et al.40이 최근 산업화된 기술과 후속적인 3D 나비 날개 스케일의 나노임프린트를 통해 대면적 나노제조 방법을 도입했다는 것입니다. 불행하게도 광학적 착색은 특징이 없습니다. 더욱이, 모방된 나노구조의 대부분은 무기 물질을 사용하므로, 무기 물질의 광학 특성이 실제 나비 날개 비늘의 큐티클 특성과 다르기 때문에 복제본의 색상이 실제 모르포 나비와 다르게 표시됩니다.