进入大自然：光学和光子学

这是一个摘录点击Terrapin Bright Green的《自然》报告．

控制光的捕获和排放是生物和行业的重要功能。光的操纵为光子 - 包括光的产生，检测，吸收，散射和光。

光学照明空间，吸收阳光和传输数据对于今天的经济至关重要。Photonics的创新，包括灵感的自然，允许公司在行业，如先进的材料，建筑系统，电子，医疗保健和电信，为今天的许多产品创造和电力。由于能源成本提高，这些产品的效率对其市场的成功至关重要，以对消费者的运营成本和其制造商的竞争力。

选择策略

光吸收

许多动物和植物使用材料和纳米结构来确保光线被吸收。他们提供了纳米级设计的蓝图，以吸收宽或窄范围的光谱，这在创建抗反射表面以提高太阳能电池效率时非常重要。

生物启发的纳米尺度几何创造了抗反射表面，与非结构表面相比，允许更多的光在材料之间转换。这一策略的一个值得注意的应用是在商业太阳能电池中增加光吸收的增透膜。这些电影模仿了飞蛾眼睛的低反射。

光反射

光的反射对于许多旨在视觉信号和数据通信的技术都很重要，包括交通标志和道路标志、光谱设备中的反射表面、平板显示器和led上的背反射器，以及许多重要的工业工艺。生物体内物质的堆积或同心圆分层通常会产生反射表面。

热带水果玛格丽塔种子的彩虹色分层细胞结构激发了光子纤维的灵感，当被拉伸时，它能反射出不同的颜色。该纤维可用于广泛的应用，包括机械故障的视觉检测。利用这一策略还开发了其他技术，以创造不依赖化学颜料的结构色彩。

光指导

光可以由材料引导而不是简单地被吸收和反射。许多市售的光学器件（例如Irlen）基于眼睛结构的引导光线。引导可见光准确地对光学芯片技术特别重要，这可以取代传统的电子芯片以更快的数据传输。

光可以由材料引导而不是简单地被吸收和反射。

某些生物材料，如彩虹甲虫壳和海棉，为光导装置的新制造技术提供了灵感。尽管到目前为止还没有商业化的光子产品，生物激发的光子结构将使光在未来的光电器件中被操纵和引导。

现有产品

防反射膜

夜间飞蛾有眼睛吸收高比例的光线，让它们在非常低的光线条件下看到。纳米级结构在其眼中有利地引导入射光以增加昆虫的光敏性，并降低捕食者可见的外部反射。

负责这种灵敏度的一种特殊成分是“蛾眼”结构，它覆盖着眼睛的微米大小的面，并起到抗反射涂层的作用。长冈大学(Nagaoka University)的研究人员模拟了这种结构，为现有的太阳能电池阵列开发了蛾眼薄膜，美国的研究人员已经开发了在太阳能电池生产过程中整合蛾眼纳米结构的制造技术。研究人员已经证明，抗反射的蛾眼膜可以将入射光子转化为可用的电能，提高5- 10%，这对任何太阳能电池技术来说都是一个可喜的进步。

Irlens.

只供暖必要的空间，而不是整个房间，使设施减少能源需求。的热区辐射加热器中的IRLens在龙虾，小龙虾和虾的眼中使用相同的原理，在特定区域上聚焦光 - 直接红外光。经过100万美元的商业化之后，该技术被许可授权舍发通风。由于设备的BioInspired镜头，能量成本可以减少50％或更多。Hotzone加热器能够加倍传统点加热技术的效率，将85％的源能量占需要加热的区域。

产品在开发中

IR光传感器

当光线与大闪蝶的纳米和微型结构相互作用时，它们的翅膀就会产生明亮的彩虹色。翅膀由几丁质(一种丰富的生物聚合物)制成的鳞片组成，每个鳞片支撑着一排微小的平行脊线。每个脊的横截面显示出一个分支的、周期性的纳米级结构。葛全球研究已经确定尺度对热能的变化有光学反应。红外光子的吸收和随后的转化为热能的甲壳素导致纳米结构的膨胀;这种物理变化导致了翅膀彩虹色的可观测变化。翼片对红外光子反应的速度和灵敏度以前在人造热传感器中是无法达到的。

基于Morpho翅膀纳米结构的新型热传感器正在开发中，不仅可以提高响应速度和热灵敏度，还可以减少它们的像素大小。对自然界光子结构的持续研究可能会激发新一代传感器技术。