Estudo de nanofabricação e coloração de asas artificiais de borboleta Morpho com camadas lamelares alinhadas

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 16637 (2015) Citar este artigo

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A cor azul brilhante e iridescente das asas da borboleta Morpho atraiu a atenção mundial para explorar sua natureza misteriosa por muito tempo. Embora a física da cor estrutural pelas estruturas nanofotônicas construídas nas escamas das asas tenha sido bem estabelecida, as replicações da estrutura da asa por litografia padrão de cima para baixo ainda permanecem um desafio. Este artigo relata um avanço técnico para imitar a cor azul das asas da borboleta Morpho, desenvolvendo um novo processo de nanofabricação, baseado em litografia por feixe de elétrons combinada com desenvolvimento/dissolução alternativa de PMMA/LOR, para estruturas fotônicas com multicamadas de lamelas alinhadas em polímeros incolores. A relação entre a coloração e as dimensões geométricas, bem como as formas, é sistematicamente analisada resolvendo as Equações de Maxwell com um simulador de diferença de tempo de domínio finito. É realizada uma caracterização cuidadosa do azul imitado por medidas espectrais sob ângulos normais e oblíquos. A cor estrutural em azul refletida pelas escamas das asas fabricadas é demonstrada e posteriormente estendida ao verde como um exercício de aplicação da nova técnica. São analisados ​​os efeitos da regularidade nas réplicas na coloração. Em princípio, esta abordagem estabelece um ponto de partida para imitar cores estruturais além do azul nas asas da borboleta Morpho.

A cor estrutural é frequentemente observada em borboletas1,2,3,4,5, besouros6 e animais marinhos7,8, etc. Entre eles, os exemplos mais citados são as borboletas Morpho9,10,11,12, que vivem na América do Sul. A coloração das asas da borboleta exibe uma série de características únicas, como ampla iridescência azul, brilho brilhante, aspectos semelhantes a manchas, alta resistência à descoloração, alta sensibilidade ao ambiente e espectros independentes de ângulo . Desde a primeira observação da estrutura interna com poderoso microscópio eletrônico de varredura (MEV) , pesquisas substanciais sobre a origem da coloração pelas elaboradas nanoestruturas nas asas da borboleta Morpho foram amplamente conduzidas , impulsionadas por aplicações extensivamente potenciais. As aplicações previstas incluem vestuário têxtil iridescente19, revestimentos funcionais20, codificação de segurança de cores incomparável21, células solares eficientes22, sensores de gás altamente seletivos23,24, sensores químicos com excelente sensibilidade e seletividade25,26 e dispositivos de imagem infravermelha de alta velocidade27,28, etc. O sucesso na interpretação precisa da coloração é estabelecer uma metodologia técnica confiável para a arquitetura da estrutura periódica em micro e nanoescala na escala de asas de borboleta, o que também é um passo inevitável em direção às suas aplicações na vida diária. Conforme mostrado esquematicamente pela arquitetura original na Fig. 1a, a escala da asa é coberta por cristas paralelas com alturas aleatórias umas das outras. Apresentando-se na parede lateral de cada crista está, na verdade, uma estrutura lamelar que consiste em camadas alternadas de cutícula e ar. Esse tipo de nanoestruturas tem sido um grande desafio na replicação devido às variações 3D no perfil. Mesmo assim, inúmeras tentativas foram relatadas. Saito et al.29,30 e Chung et al.31 imitaram a cor azul com ampla visualização angular pela deposição multicamadas de TiO2/SiO2 em subestrutura irregular. Watanabe et al.32 fabricaram réplicas de escamas de borboleta Morpho e observaram reflexão de cor azul usando deposição química de vapor por feixe de íons focados (FIB-CVD). Huang et al.33, Zhang et al.34,35,36, Kang et al.37 e Chen et al.38,39 usaram borboletas como biomodelos para sintetizar as nanoestruturas 3D por óxidos metálicos ou polidimetilsiloxano (PDMS) e relataram que a réplica pode refletir cores diferentes com vários tamanhos de rede e índices de refração. No entanto, todas as abordagens relatadas não foram baseadas no processo padrão de nanolitografia de cima para baixo com grande área, alto rendimento e baixo custo. Apenas uma exceção é que Aryal et al.40 introduzem recentemente um método para a nanofabricação de grandes áreas por técnicas industrializadas e subsequente nanoimpressão de escamas de asas de borboletas 3D. Infelizmente a sua coloração óptica não é caracterizada. Além disso, a maioria das nanoestruturas imitadas utiliza materiais inorgânicos, resultando em réplicas exibindo cores diferentes da borboleta Morpho real, porque as propriedades ópticas dos materiais inorgânicos são diferentes daquelas da cutícula nas escamas reais das asas da borboleta.