Τα φωτονικά μυστικά της πεταλούδας

Είναι λεπτά και εύθραυστα, μπορεί να καταστραφούν ακόμη και με ένα αδέξιο άγγιγμα, αλλά αποτελούν ένα πραγματικό θαύμα της φύσης. Τα ζωντανά χρώματα και οι ιριδισμοί των φτερών μιας πεταλούδας είναι μοναδικά και παρά το γεγονός ότι πολλοί έχουν προσπαθήσει κανείς δεν έχει καταφέρει να τα μιμηθεί –ούτε καν οι καλύτεροι ζωγράφοι. Τώρα, αναπτύσσοντας μια ειδική μέθοδο ειδικά γι’ αυτόν τον σκοπό, επιστήμονες στις Ηνωμένες Πολιτείες κατόρθωσαν για πρώτη φορά να «ζουμάρουν» στο εσωτερικό τους και να δουν τις μικροσκοπικές δομές που τα αποτελούν. Η πιο αναπάντεχη ίσως ανακάλυψη που έκαναν ήταν ότι όλη αυτή η λαμπερή ομορφιά οφείλεται στις κρυφές ατέλειές τους! Οι ατέλειες αυτές είναι απειροελάχιστες και καλά μελετημένες, τόσο που οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι έχουν σχεδιαστεί με αριστοτεχνική μαεστρία από τη Φύση.

Οι πεταλούδες έχουν σοβαρούς λόγους για να διαθέτουν πολύχρωμα και εντυπωσιακά φτερά και η πρόκληση του ανθρώπινου θαυμασμού δεν συγκαταλέγεται σε αυτούς. Τα φτερά τους είναι η «πανοπλία» που χρησιμοποιούν για να καμουφλάρονται και να προστατεύονται από τους θηρευτές αλλά και για να προσελκύουν το ταίρι με το οποίο θα ζευγαρώσουν. Αποτελούν λοιπόν ένα προϊόν της εξέλιξης που έχει αναπτυχθεί και τελειοποιηθεί στο πέρασμα δεκάδων εκατομμυρίων χρόνων. Εδώ και αιώνες γνωρίζουμε ότι οφείλουν τα χρώματά τους σε μικροσκοπικές δομές σαν λέπια που φέρουν επάνω τους (εξ ου και το όνομα της τάξης στην οποία ανήκουν οι πεταλούδες, τα λεπιδόπτερα). Εδώ και περίπου έναν αιώνα γνωρίζουμε επίσης ότι αυτά τα λέπια φέρουν επάνω τους ακόμη πιο μικροσκοπικές περιοδικές νανοδομές οι οποίες επηρεάζουν την κίνηση των φωτονίων και είναι γνωστές ως φωτονικοί κρύσταλλοι.

Με το πέρασμα των χρόνων και τη βελτίωση της τεχνολογίας οι ειδικοί κατόρθωσαν να εξαγάγουν σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με τη δομή που έχουν αυτοί οι φωτονικοί κρύσταλλοι. Ως τώρα δεν είχαν όμως μπορέσει να τους «δουν» πραγματικά καθώς οι τεχνικές που χρησιμοποιούσαν για να εξετάσουν το εσωτερικό ενός φτερού απαιτούσαν την εγκάρσια τομή του, τη μελέτη των δυο κομμένων τμημάτων ξεχωριστά και τον συνδυασμό των ευρημάτων για τη σύνθεση ενός τρισδιάστατου μοντέλου. Η διαδικασία αυτή σε τόσο πολύπλοκες δομές αφήνει, όπως είναι ευνόητο, πολλά κενά. Ετσι, αν και σε γενικές γραμμές γνώριζαν τη διάταξή τους, οι επιστήμονες δεν ήταν σε θέση να κατανοήσουν πώς ακριβώς αυτοί οι φωτονικοί κρύσταλλοι κατευθύνουν το φως για να ενισχύσουν και να κάνουν πιο λαμπερά τα χρώματα.

Ο δρ Αντρέι Σίνγκερ

Για τον λόγο αυτόν ο Ολεγκ Σπίρκο, επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο, και ο Αντρέι Σίνγκερ, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριό του, σκέφτηκαν να χρησιμοποιήσουν το σύγχροτρο Advanced Photon Source (APS) του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne των ΗΠΑ. Συνδυάζοντας τις ισχυρές δέσμες ακτίνων Χ που εκπέμπει το APS με τη νέα τεχνική της «πτυχογραφίας» οι φυσικοί από το Σαν Ντιέγκο σε συνεργασία με συναδέλφους τους από το Argonne και το Πανεπιστήμιο του Γέιλ ανέπτυξαν μια μέθοδο μικροσκοπίας με την οποία για πρώτη φορά μπορεί κάποιος να δει τρισδιάστατα και με πολύ μεγάλη ακρίβεια τι υπάρχει μέσα στα φτερά μιας πεταλούδας χωρίς να χρειαστεί να τα κόψει.

«Γνωρίζαμε εδώ και εκατό χρόνια, ο Ρέιλι το είχε προτείνει πρώτος, ότι τα έντονα χρώματα σχετίζονται με παρεμβολές, κάτι το οποίο σημαίνει ότι τα φτερά θα πρέπει να περικλείουν περιοδικές δομές» λέει στο «Βήμα» ο Αντρέι Σίνγκερ, κύριος συγγραφέας της σχετικής μελέτης η οποία δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Science Advances». «Δεν ήταν όμως σαφές πώς ακριβώς φαίνονται αυτές οι νανοδομές στη νανοκλίμακα. Γνωρίζαμε την περίοδό τους και την τοπική δομή τους όμως δεν ξέραμε πώς αυτή η τοπική δομή είναι κατανεμημένη σε ολόκληρο το λέπι. Αυτό ήταν λοιπόν ένα ερώτημα το οποίο θελήσαμε να απαντήσουμε ενώ παράλληλα θελήσαμε να δούμε αν υπάρχουν ιστοί οι οποίοι μπορούν να μας πουν κάτι για την ανάπτυξη αυτών των δομών ή να μας εξηγήσουν γιατί παίρνουν αυτά τα χρώματα».

Οι επιστήμονες εξέτασαν τα φτερά της πεταλούδας Teinopalpus imperialis, ενός σπάνιου είδους που ζει στην Ασία και είναι γνωστό ως Αυτοκράτορας της Ινδίας. Παρατηρώντας για πρώτη φορά την πλήρη δομή του εσωτερικού τους ανακάλυψαν ότι οι φωτονικοί κρύσταλλοι είναι διατεταγμένοι στα λέπια με πολύ συγκεκριμένο προσανατολισμό, ο οποίος εξηγεί πώς παράγεται το χρώμα τους. Εστιάζοντας ακόμη περισσότερο στην υψηλής ευκρίνειας εικόνα ανακάλυψαν ένα ακόμη πιο ενδιαφέρον εύρημα: η νανοδομή εμφάνιζε μικροσκοπικές ανωμαλίες. «Οι ανωμαλίες αυτές λέγονται μετατοπίσεις ή ελαττώματα και προκύπτουν όταν ένα κατά τα άλλα απολύτως περιοδικό κρυσταλλικό πλέγμα μετατοπίζεται κατά μια σειρά ατόμων» εξηγεί ο κ. Σίνγκερ επισημαίνοντας πως παρά το γεγονός ότι η λέξη «ελάττωμα» στο μυαλό των περισσότερων έχει αρνητική χροιά, στην επιστήμη των υλικών αποτελεί ένα θετικό «βοήθημα».

«Τα ελαττώματα μπορεί να είναι πολύ χρήσιμα για να βελτιώσει κάποιος ένα υλικό» τονίζει. «Οι σιδεράδες για παράδειγμα έμαθαν με το πέρασμα των αιώνων πώς να προκαλούν ελαττώματα για να κάνουν τα υλικά τους πιο ανθεκτικά. Στους φωτονικούς κρυστάλλους τα ελαττώματα που παρατηρήσαμε έχουν επίσης έναν ειδικό σκοπό, τους κάνουν να φαίνονται πιο φωτεινοί και λαμπεροί. Για τον λόγο αυτόν πιστεύουμε ότι η Φύση προκαλεί αυτά τα ελαττώματα επί τούτου, με σκοπό να αυξήσει τη φωτεινότητα των φτερών».

Σημαίνει αυτό ότι τα ελαττώματα αναπτύχθηκαν μέσω της εξέλιξης για να βελτιστοποιήσουν τη φυσική «πανοπλία» των πεταλούδων; «Χρειάζονται ακόμη περισσότερες μελέτες για να μπορέσουμε να δώσουμε μια απάντηση. Παρατηρούμε αυτά τα ελαττώματα για πρώτη φορά και τώρα θα πρέπει να κατανοήσουμε πλήρως τη δομή που είδαμε και να προσπαθήσουμε να προσομοιώσουμε τι είδους φως παράγει ή ανακλά» απαντά ο ερευνητής. «Ξέρουμε όμως από άλλους φωτονικούς κρυστάλλους ότι τέτοιου είδους ελαττώματα ενισχύουν το φως, γι’ αυτό και υποθέτουμε ότι θα πρέπει να γίνονται επί τούτου. Αλλά φυσικά όπως σας είπα χρειάζονται περισσότερες μελέτες».

Οταν οι μελέτες προχωρήσουν και οι επιστήμονες κατανοήσουν περισσότερο τη δομή των φωτονικών κρυστάλλων το επόμενο βήμα θα είναι η προσπάθεια μίμησής τους στο εργαστήριο. «Η μελέτη των φωτονικών κρυστάλλων αποτελεί έναν μεγάλο επιστημονικό τομέα και πολλοί ερευνητές προσπαθούν να τους αναπαραγάγουν στο εργαστήριο για να ελέγξουν το φως. Ενας μεγάλος στόχος είναι να κατορθώσουμε να τους αναπτύξουμε τόσο ώστε κάποτε, στο μέλλον, να αντικαταστήσουν στην ηλεκτρονική τους ημιαγωγούς» λέει ο κ. Σίνγκερ. «Είναι βέβαια πολύ δύσκολο να δημιουργηθούν τέτοιου είδους νανοδομές στο εργαστήριο και ελπίζουμε τώρα να μπορέσουμε να κατανοήσουμε λίγο καλύτερα πώς αυτές σχηματίζονται στη βιολογία, στα βιολογικά συστήματα. Ετσι ίσως θα μπορέσουμε να μιμηθούμε τη Φύση και να εφαρμόσουμε την ίδια τεχνική για να τις δημιουργήσουμε στο εργαστήριο. Αυτό θα είναι ένα τεράστιο βήμα για τον τομέα των φωτονικών κρυστάλλων».