Op de natuur geïnspireerd ontwerp: bootst mottenogen na om transparante anti-reflecterende coatings te produceren

Er zijn veel menselijke problemen die wetenschappers en ingenieurs hebben opgelost door ideeën rechtstreeks te putten uit biomechanismen die in andere levensvormen worden aangetroffen, van klittenband tot de beroemde kogeltreinen van Japan, de Shinkansen. Het zou dus niet als een verrassing moeten komen te weten dat veel opmerkelijke vorderingen op het gebied van antireflectiecoating werden geïnspireerd door de eigenaardige biostructuren die in mottenogen worden aangetroffen.

Omdat ze voornamelijk nachtdieren zijn die verborgen willen blijven voor roofdieren, zijn motten geëvolueerd om ogen te ontwikkelen die niet reflecteren. Hun ogen hebben een periodieke nanometrische structuur waardoor het oogoppervlak wordt gesorteerd, in plaats van gepolijst. Dit zorgt ervoor dat het meeste invallende licht naar het oppervlak buigt en daarom door het oog wordt doorgelaten in plaats van er door weerkaatst te worden. Deze matrixstructuur op nanoschaal is zo effectief dat onderzoekers hebben geprobeerd het na te bootsen met andere materialen om antireflecterende coatings te creëren met wisselend succes.

Ondanks de recente vooruitgang in de nanowetenschap waardoor dit idee voor verschillende praktische toepassingen kan worden toegepast, zijn er nog steeds obstakels die moeten worden overwonnen in termen van schaalbaarheid en productiekosten. Om deze problemen aan te pakken, hebben wetenschappers van Tokyo University of Science en Geomatec Co., Ltd., Japan, gewerkt aan een nieuwe strategie om mottenoog-nanostructuren en transparante films te produceren. In hun laatste studie, gepubliceerd in Micro- en Nano-engineering, presenteren ze een veelbelovende methode om mallen en films voor mottenogen op grote schaal te vervaardigen.

Hoewel dit onderzoeksteam er eerder in was geslaagd om moth-eye-mallen te maken, gemaakt van glasachtige koolstof geëtst met een zuurstofionenbundel, was deze benadering niet schaalbaar. “Het produceren van glasachtige koolstofsubstraten vereist het gebruik van poedermetallurgietechnologie, die moeilijk te gebruiken is om mallen met een groot oppervlak te produceren”, legt professor Jun Taniguchi van de Tokyo University of Science uit, “Om deze beperking te omzeilen, hebben we geprobeerd om slechts een dunne laag te gebruiken. van glasachtige koolstof afgezet bovenop een groot normaal glazen substraat. “

Om deze nieuwe strategie haalbaar te maken, koos het team deze keer bovendien om een ​​inductief gekoppeld plasma (ICP) -systeem te gebruiken in plaats van de eerder gebruikte elektronen-cyclotronresonantie-ionenbron. Hoewel beide apparaten glasachtige koolstof kunnen etsen met behulp van een geconcentreerde straal zuurstofionen, produceert de ICP-technologie een breder bestralingsbereik van de ionenbundel, wat geschikter is voor het werken aan structuren met een groot oppervlak.

Na testen met verschillende ICP-parameters, stelden de onderzoekers vast dat een tweestaps ICP-etsproces het beste was om een ​​hoogwaardige nanogestructureerde mal te verkrijgen. Vervolgens gebruikten ze deze mal om een ​​transparante film te maken met een mottenoog-nanostructuur met behulp van een UV-uithardende hars.

De optische eigenschappen van deze film waren opmerkelijk; zijn reflectie naar licht in het zichtbare bereik was slechts 0,4%, 10 keer lager dan die van een vergelijkbare film zonder de mottenoog-nanostructuur. Bovendien werd de doorlaatbaarheid van licht door het materiaal ook verhoogd, wat betekent dat er geen compromis in optische eigenschappen optrad als gevolg van het gebruik van de film om gereflecteerd licht te verminderen.

De heer Hiroyuki Sugawara, chief technical officer bij Geomatec, belicht de vele mogelijke toepassingen van dergelijke antireflecterende films als het mogelijk zou zijn om ze op meterschaal te produceren: “We zouden deze films kunnen gebruiken om de zichtbaarheid in platte beeldschermen, digitale borden, en de transparante acrylplaten die overal zijn gebruikt sinds het begin van de COVID-19-pandemie. Bovendien zou een antireflectiecoating ook een efficiënte manier kunnen zijn om de prestaties van zonnepanelen te verbeteren. “

Deze studie laat zien hoe het gebruik van biologisch geïnspireerde structuren kan worden uitgebreid door hun fabricage gemakkelijker schaalbaar te maken. Deze vooruitgang zou ook kunnen bijdragen aan het behoud van de natuur, zodat we nuttige ideeën van andere soorten kunnen blijven krijgen.