Крылатые батареи: цикады вдохновили ученых на создание антибликового покрытия
Indicator.Ru разбирался, как микроскопические наросты на крыльях цикад помогут в производстве солнечных батарей и при чем здесь титановые белила.
Ученые из Шанхайского университета транспорта (Цзяотун) в Китае, вдохновившись структурой крыльев цикады, создали антирефлексное покрытие из диоксида титана — одного из наиболее любопытных полупроводниковых материалов. Придуманное ими просветляющее (увеличивающее светопропускание оптической системы) покрытие может поглощать видимый свет, длина волны которого составляет от 450 до 750 нанометров при различных углах падения. С исследованием можно ознакомиться в научном журнале Applied Physics Letters.
Какую роль в открытии сыграли крылья цикады? Пластина крыла насекомого покрыта ковром микроскопических шипов высотой 200 нанометров. Созданный исследователями материал также покрыт упорядоченными нано-антибликовыми структурами.
Ван Чжан, доцент лаборатории металло-матричных композитных материалов, прокомментировал: «Промежутки между структурами можно рассматривать как путь для переноса фотонов, и падающие на биоморфный диоксид титана лучи света могут полностью проникнуть в структуру поверхности».
Диоксид титана, который также называют титановыми белилами, имеет очень высокую температуру плавления и используется во многих промышленных областях — от производства бумаги и пластмасс до косметических средств и пищевых добавок. В последние годы диоксид титана начали использовать в фотоэлектрохимических батареях, ячейках Гретцеля, принцип работы которых частично напоминает фотосинтез из-за протекающей в батарее окислительно-восстановительной реакции.
Биоморфное покрытие из диоксида титана продемонстрировало снижение отражательной способности. С точки зрения практического применения, антирефлексное покрытие, созданное исследователями, имеет большой потенциал для использования в солнечных батареях и других фотоэлектрических приборах. «Мы предполагаем, что наша работа станет стимулом для инженеров, разрабатывающих просветляющие материалы, и они будут использовать уникальные покрытия в реальной жизни», — пояснил Чжан.
Даже после нагревания покрытия до температуры пятьсот градусов Цельсия, то есть при его кальцинации, антирефлексное покрытие сохраняет свои морфологические свойства. Это доказывает, что материал может эксплуатироваться в тяжелых (и даже экстремальных условиях) на протяжении достаточно длительного времени.
Разработка биоморфного покрытия проходила по технологии, носящей название золь-гель процесс. Он заключается в получении золя — высокодисперсного коллоидного раствора со включениями аэрозоля, который впоследствии переходит в состояние структурированного геля из высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ. Чжан отметил, что TiO₂ был представлен редкой полиморфной модификацией, анатазом, то есть минералом, который встречается в природе не так часто, как другие формы диоксида титана (рутил и брукит). Анатаз, он же октаэдрит, обладает уникальными просветляющими поверхностями и выглядит как кристалл с ярким алмазовидным блеском. «Использование этой модификации помогло достичь оптимально градуированного показателя преломления и, соответственно, необходимых просветляющих свойств в диапазоне видимого света в зависимости от угла падения», — рассказали ученые.
В дальнейшем исследователи планируют сократить оптические потери в солнечных элементах благодаря использованию материалов с максимально высоким показателем преломления. К таким веществам относится, например, пентаоксид тантала — нерастворимые в воде и устойчивые к перепаду температур кристаллы металла тантала, который применяют в интерференционных светофильтрах.
Цикады не единственные живые организмы, подарившие ученым идею о создании новых материалов. Так, на 252-й конференции Американского химического общества, которая прошла в августе 2016 года, химики из Коннектикутского университета представили материал, который меняет цвет и структуру в зависимости от изменений окружающей среды. Материал планируют использовать в производстве антибликовых экранов и даже для шифрования сообщений. Идею такого покрытия американские ученые «подсмотрели» у медуз и кальмаров. Также их заинтересовало, как под воздействием влаги меняется человеческая кожа.
Как объяснили исследователи, некоторые виды медуз, испытывая испуг, начинают морщиниться. Их соединительная ткань — мезоглея — становится непрозрачной, что отпугивает ряд хищников. У кальмаров и других головоногих имеются пигментные клетки-хроматофоры, которые при приближении опасности помогают моллюскам менять свою окраску.