Jak příroda krotí světlo?

Bílé světlo je ve své podstatě tou částí elektromagnetického vlnění, k jehož vidění nás příroda vybavila očima. Jednotlivé barvy se z něj mohou vynořovat různým způsobem. Jeden ze způsobů vytvořila již dávno samotná příroda a nadělila jej drobnému jihoamerickému broučkovi.

Jeho zkoumání by mohlo vést k převratným pokrokům v digitálních technologiích.

Jihoamerický nosatec Lamprocyphus augustus učaroval vědcům z americké University of Utah Michaelu Bartlovi a Jeremymu Galushovi svým krásným duhově zeleným zbarvením natolik, že se rozhodli prozkoumat jej pomocí nejmodernějšího laboratorního vybavení.

Jeho povrch odráží světlo tak, že při pohledu z jakékoliv strany má stejně krásnou duhovou barvu. Vědcům bylo jasné, že povrch brouka, tzv. epikutikula, která je tvořena drobnými šupinkami polysacharidu chitinu, musí se světlem nakládat velmi originálně.

Zjistili, že příroda tomuto broukovi vytvořila na těle fototonické krystaly, které se lidé snaží připravit synteticky již téměř dvacet let.

Světlo v počítačích Fototonické krystaly se chovají ke každé složce viditelného elektromagnetického vlnění – neboli světla – jinak. Některé světlo o jisté barvě – neboli vlnové délce – bez problémů propustí, jiným však ukáže stopku a odrazí je jako zrcadlo.

Teoreticky byla struktura takového krystalu popsána již v roce 1990. Podle teoretických předpovědí by uspořádání atomů v krystalové mřížce mělo být velmi podobné uspořádání uhlíkových atomů v krystalu diamantu.

V diamantu jsou však atomy příliš blízko sebe a pro práci s viditelným světlem nejsou příliš vhodné. Snem vědců je proto připravit syntetický materiál, který by měl optické vlastnosti podobné diamantu, ale byl skutečně použitelný.

Taková látka by znamenala opravdu velký technologický skok kupředu. Světlo o specifické vlnové délce by mohlo být využíváno pro katalýzu jistých chemických reakcí, největší využití by však našlo v optických počítačích.

Ty současné využívají pro přenos informace elektřinu (tedy proud elektronů). Optické počítače by však namísto nich mohly využívat světlo, tedy fotony. Takové stroje by dokázaly roční práci těch dnešních zvládnout v několika vteřinách.

Krystaly na krovkách Vědci zjistili, že duhově zelená barva brouka není dána přítomností zeleného pigmentu, ale specifickým uspořádáním molekul v šupinách na jeho povrchu. Šupiny fungují jako dokonalý fototonický krystal.

Zatímco větší část spektra viditelného světla (tj. vlnění o vlnové délce mezi 400–700 nm) pohlcují, u vln o délce mezi 500–550 nm dělají výjimku. Právě tuto délku má světlo, které brouka barví do krásně zelené barvy.

Za to, že se brouci jeví krásně zelení ze všech stran, je zodpovědná zase struktura šupin. Každá z nich je totiž složena z více než 200 chitinových „krystalů“ podobné struktury, jako má diamant. Jednotlivé krystaly jsou však orientovány různými směry.

Odrážejí tak veškeré světlo, které na brouka dopadá z libovolného úhlu, a přispívají tak k opalizujícímu efektu, který z něj dělá skutečný oživlý drahokam. Cesta od tohoto objevu k jeho praktickému využití bude však zřejmě ještě velmi dlouhá.

Brouk bělejší než mléko Nestorem výzkumů fototonických vlastností hmyzích povrchů je Dr. Peter Vukusic z katedry fyziky univerzity v britském Exeteru, který se tomuto tématu věnuje už od roku 1998. V nedávné době přišel se svým týmem se zajímavým objevem.

Zkoumal zvláštní brouky z jihovýchodní Asie, chroustky rodu Cyphochilus. Bílá barva jejich krovek má takovou intenzitu, že těžko hledá v přírodě obdoby. Vukusicův tým zjistil, že za jejich neuvěřitelnou bělostí stojí nikoliv přítomnost bílého pigmentu, ale právě specifické vnitřní uspořádání chitinových krystalů na jejich povrchu.

Jejich uspořádání je totiž zcela nahodilé a díky tomu umožňuje dokonalý rozptyl světla.