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2016年生物とナノ构造
ナノ・バイオテクノロジー:第2回
生物とナノ構造
-ナノ構造による光の制御-
ナノテクの進歩とともに,ナノサイズのさまざま
な構造を作成・分析する技術が発展している.
ナノ構造をうまく作成すると,優れた光特性を
実現したり,超撥水性や永続性の殺菌性など,
通常の物質ではなかなか実現できないような
性能を発揮させることができる.
さて,そんな優れたナノ構造であるが,実は
生物の中には進化の過程で同様なナノ構造
を実現したものが多数存在しており,注目を
集めている.
今回の講義では,そんな生物のナノ構造の
中から,「ナノ構造で光を制御している」系を
紹介していく.
今日の講義の流れ:
1. 回折:物質と光の相互作用
2. 構造色
2-1. モルフォ蝶
2-2. 鳥の羽の色の仕組み
3. 屈折率の連続変化による反射の制御
3-1. モスアイ構造
3-2. セミの羽
3-3. シルバーアント
1. 干渉・回折
今回の内容では,理解するために光の性質について
の知識が必要になる.そこでまず,光と物質の相互
作用の基本について復習していく.
光と物質の相互作用においては,物質のサイズが光の
波長に対しどの程度の大きさなのか?が重要になる.
光は波としての性質が強く,1波長よりも小さいサイズ
に集光することは(波としての性質により)難しい.この
ため光には,波長より小さいサイズは「よく見えない」.
このため,光が当たる物体のサイズが波長より大きい
のか小さいのかによって,光の振る舞いは大きく変わっ
てくる.
ケース1 :物体が波長より十分大きいとき
→ この場合,光は直線光でほぼ近似できる.
光源
物体
光は光源からまっすぐ飛んでいき,物体に当たらな
かったものだけがそのまま背後に透過する.
ケース2 :物体のサイズ・間隔が波長より十分小さい
→ この場合,単に屈折率の変化として扱える
光源
物体
光には,細かな構造は「見えない」.細かい部分は,
全体がぼやけて混ざったように見える.つまり……
ケース2 :物体が波長より十分小さいとき
→ この場合,単に屈折率の変化として扱える
光源
物体
こんな感じ.光にとっては,全体が平均化された
薄ぼんやりとした物体があるように見える.
(屈折率は空気よりちょっと高くなる)
ケース3 :物体が波長と同程度の時
→ 波としての性質をきっちり扱わないといけない
(干渉・回折等の,波動独特の現象が現れる)
物体に当たった波は,新たな波として散乱される.
生じた散乱波同士が重なり合い,波を強めあったり,
弱め合ったりする場所が生じてくる(干渉).
/wiki/Braggs_lawより
この方向では常に強め合う この方向では常に弱め合う
(光が反射されてくる) (光が反射されない)
このように,特定の方向にのみ光が反射されてくる
(=他の方向では光が出てこない)現象が起こる.
/site/drnormanherr//CSCS-Activities/cscsphysics/determining-the-wavelenth-of-lightより
なお,「回折光がどの角度に出てくるか?」は,
「別の場所で散乱された光との波の差が,ちょうど
波長の整数倍になる方向」として決まる.
そのため,同じ構造に光を当てても,波長によって
回折光が出てくる方向は違う(色ごとに,違う方向に
出てくる).
2. 構造色
先ほど紹介したように,
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