Inšpirácia z prírody pre počítače budúcnosti  
Malý brazílsky chrobák s latinským pomenovaním Lamprocyphus augustus, ktorý v lúčoch svetla žiari premenlivými odtieňmi zelenej farby je možno návodom, ako vytvoriť dokonalejšie fotonické kryštály, nevyhnutné pre lepšie spracovanie a usmernenie svetelného signálu. Bez nich sa sen o optických počítačoch, mnohonásobne rýchlejších, než sú tie súčasné, nikdy nezrealizuje.

 

 

 

Zvětšit obrázek
Lamprocyphus augustus.
Tento brazílsky chrobák má asi 2,5 cm. Jeho žiarivá kovovolesklá zelená farba s meniacimi sa odtieňmi je len výsledok lomu, odrazu a interferencie svetla v jemnozrnnej, diamantom podobnej kryštalickej chitínovej štruktúre na povrchu jeho tela. Práve táto štruktúra inšpiruje chemikov Univerzity v Utahu k vytvoreniu nového typu fotonických kryštálov , nevyhnutných pre ultrarýchle počítače. budúcnosti.


Trochu zjednodušenej teórie
Fotonické kryštály možno považovať za optické obdoby k elektronickým polovodičom. Sú to syntetické, prípadne aj prírodné periodické štruktúry, ktoré pomocou difrakcie a interferencie ovplyvňujú pohyb fotónov zvyčajne viditeľného, alebo infračerveného svetla, podobne, ako elektronické polovodiče pomocou kombinácie takzvaných donorov (N) a akceptorov  (P) regulujú pohyb elektrónov. Minimálne rozmery fotonických prvkov (nemusí ísť nevyhnutne o kryštály) sú limitované štvrtinou vlnovej dĺžky príslušného svetla, takže sa jedná zlomky mikrometra až niekoľko mikrometrov. Príroda si už dávno vytvorila obdivuhodné fotonické kryštály, ktorými – bez použitia skutočných pigmentov - vytvára žiarivé farebné metalízy na krídlach motýľov, perí vtákov a krovkách niektorých chrobákov. Aj farebné odlesky drahého opálu sú len hrou svetla vo vnútornej štruktúre polodrahokamu.

 


Evolučný prototyp
Lamprocyphus augustus je latinské pomenovanie asi 2 a pol centimetrového brazílskeho chrobáka. Jeho telo má krásnu žiarivú farbu, ktorá hrá mnohými odtieňmi zelenej. A to bez ohľadu na uhol pohľadu. To zaujalo aj chemika Michaela Bartla z Univerzity v Utahu. Pomocou rastrovacieho elektrónového mikroskopu skúmal optické tajomstvo štruktúry exoskeletu, vonkajšej chitínového panciera chrobačieho tela. Odhalil, že je pokryté drobnými šupinkami s rozmermi 200 krát 100 mikrónov (milióntin metra), pričom každá z týchto šupiniek sa skladá z ďalších asi 200, voľným okom neviditeľných plôšok. Tie sú pokryté miniatúrnymi, a diamantom podobnými kryštálikmi chitínu. Selektívne odrážajú zelenú zložku bieleho svetla s vlnovou dĺžkou okolo 500 až 550 nanometrov. Navyše sú plôšky voči sebe navzájom rôzne pootočené, čo spôsobuje tú krásnu hru zelených svetelných efektov, nezávislú od smeru pozorovania. Práve táto štruktúra môže predstavovať návod na ideálne fotonické kryštály, ktoré sa vedcom doposiaľ nepodarilo vytvoriť.


„Zdá sa, že jednoduchý tvor, akým je chrobák nám poskytuje jednu z technologicky najvyhľadávanejších štruktúr pre budúce generácie počítačov“, tvrdí Michael Bartl, ktorý je vedúcim výskumného tímu. „Príroda má jednoduché spôsoby na tvorbu štruktúr a materiálov, ktoré sú nedosiahnuteľné našimi prístrojmi a technológiami za milióny dolárov.“

 

Ako kopírovať dielo prírody
V spolupráci s výskumným strediskom IBM v kalifornskom San José sa Bartlov tím snaží vytvoriť ideálne fotonické kryštály. Prírodnú štruktúru z chrobačieho exoskeletu využívajú len ako formu pre tvorbu syntetických kryštálov z priesvitného polovodičového materiálu. Prírodný chitín na to vhodný nie je, pretože nemá dostatočnú trvácnosť pre dlhodobé použitie, nie je polovodičom a nemá vhodné optické vlastnosti.


Všetka táto snaha smeruje k vývoju optického počítača, ktorý namiesto elektrónov „beží“ na fotóny, teda svetlo. Už teraz sa cez optické káble pomocou blízko infračerveného, či viditeľného svetla prenášajú údaje a prebieha komunikácia. V súčasnosti však takéto informácie musia byť na druhom konci kábla opäť konvertované na elektrický signál, aby mohli byť pre počítač „stráviteľné“.

 

 

Zvětšit obrázek
Mikroskopická štruktúra šupiniek na povrchu tela chrobáka Lamprocyphus augustus. Sú tvorené polysacharidom chitínom. Zobrazené šupinky neobsahujú žiadny zelený pigment, len ich štruktúra odráža zelenú zložku svetla. (Photo Credit: Michael Bartl)

Cieľom do budúcna je však ultrarýchly počítač s optickými integrovanými obvodmi, alebo čipmi, ktoré pracujú s fotónmi namiesto elektrónov. Teda so svetlom namiesto elektriny. S takým počítačom „budete schopní riešiť problémy, ktoré v súčasnosti riešiť nevieme. Napríklad úlohy, na ktoré by terajší bežný počítač potreboval roky, optický počítač zvládne za niekoľko sekúnd“ sľubuje Michael Bartl.

Už teraz existujú pre využitie dokonalejších fotonických kryštálov mnohé realistické predstavy a plány. Zvýšia efektivitu solárnych článkov, budú zachytávať a regulovať svetlo pre urýchlenie chemických reakcií, či pomôžu vytvoriť veľmi úzky laserový lúč, ktorý bude slúžiť na ovládanie optických čipov. Ideálne fotonické kryštály by teda boli úplne novým typom optického materiálu, ktorý umožní netradičnú manipuláciu so svetlom.

 

Dokonca niektoré farby svetla – presnejšie jeho rôzne vlnové dĺžky – by mali nimi prechádzať rôznymi rýchlosťami, zatiaľ čo iné sa vraj budú od ich povrchu odrážať ako od zrkadla. Hoci ideálny fotonický kryštál bol teoreticky opísaný niekedy okolo roku 1990, zatiaľ chýba to podstatné – vhodný materiál. Vedci teoreticky dokázali, že najefektívnejší fotonický kryštál by mal mať vnútornú mriežku podobnú usporiadaniu atómov uhlíka v diamante. Samotný diamant však vhodný nie je, pretože uhlíky v jeho mriežke sú pre manipuláciu s viditeľným svetlom natesnané príliš nahusto.


Ľudské schopnosti vnímať, žasnúť, klásť si otázky a hľadať odpovede sú nielen základom vedeckého výskumu a technického pokroku, ale môžu nesmierne obohatiť aj náš vlastný život. A príroda je nevyčerpateľným zdrojom inšpirácie. Len treba na ňu hľadieť otvorenými, zvedavými očami.

Pôvodny článok: University of Utah

Datum: 23.05.2008 09:57
Tisk článku

Hravá fyzika 7 - pracovní sešit - Benkovská Helena , kolektiv
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 99 Kč
cena: 99 Kč
Hravá fyzika 7 - pracovní sešit
Benkovská Helena , kolektiv
Související články:

Světlo a hmota se sjednotily     Autor: Josef Pazdera (11.02.2007)



Diskuze:

o farbach od autorky clanku

Dagmar,2008-05-24 08:27:06

Vidim, ze najbeznejsie javy mozu byt velmi komplikovane. Ked si to vezmeme "z gruntu" tak farba je len nasa interpretacia nervoveho vzruchu, ktory do mozgu prichadza z oci vdaka podrazdeniu kombinacie nejakeho poctu z troch druhov capikov a ta je zavisla od vlnovej dlzky svetla, ktore od predmetov, na ktore sa pozerame prichadza. Takze kazda farba je bud aktivne emitovana, alebo odrazena kombinacia jednej, ci viacerych vlnovych dlzok. Mmozno sa mylim, ale tak to chapem, som pre tento odbor klasickym laikom...
:-)
Iva ma pravdu - existuje moznost z inak uplne bezfarebneho materialu pomocou zmeny jeho struktury vytvorit material, ktory bude modry, cerveny, zeleny... alebo mozeme don pridat nejaku latku ako "farbivo (pigment)" ktory selektivne pohlcuje ostatne vlnove dlzky bez ohladu na povrchovu strukturu a tak sa vysledna plocha javi ako zelena, cervena, alebo modra... vlas bez melaninu je striebristy a s melaninom tmavy... melanin je pigment. Ak by sa z priesvitneho bezbarebneho keratinu dala vytvorit struktura, ktora by selektivne odrazala urcitu vlnovu dlzku, tak by sa ten - a len ten konkretny - keratin javil - aspon z nejakeho uhla - ako farebny... no a v tom je ten rozdiel. Samozrejme, ze vsetka farba je len "hra" s vlnovymi dlzkami uzkeho spektra "viditelneho" elektromagnetickeho ziarenia. Aj v pripade toho pigmentu... napokon, celkom by bolo fajn, ak by niekto, kto sa tym zaobera napisal erudovanejsi clanok do Osla. Pre nas vsetkych na poucenie.

Odpovědět


také jsem laik

ad,2008-05-29 22:13:18

jen upozorňuji na to, že termín "pigment" není vyhrazen pro látky, které pohlcují/odrážejí barvu nezávisle na své povrchové/molekulární struktuře. Pokud je mi známo, tak jedna z nejvýznamějších částí při výrobě pigmentů je právě dodržení požadované povrchové struktury, jinak dojde ke ztrátě nebo změně barevnosti. Tzn. to, že jedna látka má v závislosti na své struktuře různé barvy, nebo je bezbarvá (bílá), je při výrobě pigmentů běžné. Článek od doborníka na toto téma by byl určitě zajímavý.

Odpovědět


a díky za pěkný článek

ad,2008-05-29 22:15:27

o barvách na krovkách brouků přemýšlým od dětství.

Odpovědět

Díky

Honza2,2008-05-23 16:18:46

Díky za moc pěkný článek.

Bohužel s optickým procesorem je to jako s termojadernou syntézou. Už třicel let vědci odhadují, že za třicet let bude k dispozici. :-)

Odpovědět

opravdu chitin?

Marie,2008-05-23 13:49:49

nejsou náhodou naše vlasy a nehty z keratinu? V popisu pod obrázkem broučka autor píše, že z chitinu jsou i naše vlasy a nehty.

Odpovědět


mate pravdu

Dagmar,2008-05-23 15:26:32

Ospravedlnujem sa, samozrejme ze nechty a vlasy su tvorene BIELKOVINOU keratinom a krovky chrobakov POLYSACHARIDOM chitinom. Nechala som sa uniest vetou: They are made of fingernail-like chitin... no a nezamyslela som sa. Stacilo si spomenut na reklamy.
:-) Dakujem, poslala som prosbu o opravu. Dagmar Gregorová

Odpovědět

Barvy

iva,2008-05-23 13:40:14

Předmět, který se bude jevit jako zelený díky absorpci světla pigmentem bude absorbovat v červené oblasti světla. Jedná-li se o pigment znamená to, že absorbuje na základě svého chemického složení a je jedno, zda je ve formě šupinek, kuliček či čehokoli jiného. U tohoto brouka je samotný chitin bezbarvý a zelený se jeví protože se zelené světlo od uspořádané struktury odráží. Kdyby vzdálenosti v krystalové struktuře byly jiné, mohl by být brouk třeba červený. V tomoto případě jde o fyzikální jev.

Odpovědět


Re:Iva - vaše reakce není přesná

ad,2008-05-23 16:52:06

robert má vlastně pravdu. Barva záleží vždy na tom, jaká složka světla je pohlcena/odražena, vždy se jedná o fyzikální jev (nejedná se o chemickou reakci) a záleží nejen na chemickém složení pigmentu, ale také na jeho formě.

Odpovědět

pod obrázkom

robert,2008-05-23 12:34:24

"Zobrazené šupinky neobsahujú žiadny zelený pigment, len ich štruktúra odráža zelenú zložku svetla." Prosím Vás, a čo robí zelený pigment (zelená farba) odráža červenú alebo modrú složku svetla? :-)

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni
















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace