2016年生物とナノ构造.PDF

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，