Potrebbe essere possibile un metodo ispirato alla natura per modellare il riflesso della luce dalla pelle di pesci argentei e altri organismi, secondo i ricercatori della Penn State.

Tale tecnica può essere applicabile allo sviluppo di riflettori a banda larga migliori e filtri multispettrali personalizzati per un'ampia varietà di applicazioni, compresi i rivestimenti ottici avanzati per il vetro, protezione laser, sistemi di imaging a infrarossi, sistemi di comunicazione ottica e fotovoltaico, secondo Douglas Werner, John L. e Genevieve H. McCain Professore cattedra di ingegneria elettrica, Penn State.

Il modello proposto contribuisce anche alla comprensione della stratificazione riflettente nella pelle di alcuni organismi. Le pelli lucide di alcuni pesci nastro riflettono la luce su un'ampia gamma di lunghezze d'onda, dando loro un aspetto metallico brillante. La riflettività è il risultato di strati sovrapposti di composti organici cristallini incorporati nel citoplasma della loro pelle. Alcuni organismi con riflessi metallici hanno strati che sono impilati in uno schema regolare, mentre altri, compreso il pesce nastro, hanno schemi di impilamento descritti come "caotici" o casuali. Il team di Penn State ha stabilito che l'impilamento non è completamente casuale e ha sviluppato algoritmi matematici per replicare tali modelli nei materiali semiconduttori.

"Stiamo proponendo un modello che utilizza la geometria frattale per descrivere la stratificazione nella struttura biologica del pesce argenteo, "dice Jeremy Bossard, ricercatore post-dottorato in ingegneria elettrica, Penn State. "Anche se non stiamo cercando di riprodurre la struttura che si trova in natura, lo stesso modello potrebbe guidare la progettazione di dispositivi come gli specchi a banda larga".

I frattali sono stati chiamati la "geometria della natura" perché possono aiutare a descrivere i modelli irregolari ma auto-simili che si verificano negli oggetti naturali come i rami degli alberi. I ricercatori usano un frattale unidimensionale, noto come frattale della barra di Cantor, che è una linea divisa da spazi o spazi vuoti. Normalmente, I frattali di Cantor sembrano essere molto regolari, ma quando vengono introdotte modifiche casuali alla geometria, emerge uno schema più complesso. Il motivo ricorda la stratificazione di strati riflettenti nella pelle del pesce nastro.

"C'è uno schema di fondo, ma c'è la casualità incorporata, "dice Bossard, "simile al modo in cui gli alberi viventi hanno uno schema frattale generale ma non crescono simmetricamente".

I ricercatori utilizzano quindi un altro metodo computazionale ispirato alla natura chiamato algoritmo genetico che imita l'evoluzione darwiniana per creare generazioni successive di modelli frattali dai modelli genitori. In circa 100 generazioni, i modelli convergono sul miglior design per soddisfare tutte le esigenze del target.

Usando queste barre di Cantor casuali frattali e l'algoritmo genetico, i ricercatori sono stati in grado di generare matematicamente modelli mirati alle funzioni ottiche nelle gamme del medio infrarosso e del vicino infrarosso, compresa la riflessione a banda larga. Propongono che l'approccio progettuale potrebbe essere utilizzato per sviluppare stack su nanoscala con spettri riflettenti personalizzati. I risultati della ricerca sono riportati nel 13 gennaio, numero 2016 del Journal of the Royal Society Interface in "Evoluzione di superreticoli frattali casuali di Cantor per l'infrarosso utilizzando un algoritmo genetico".

Lan Lin, un recente dottorato di ricerca laureato in ingegneria elettrica, ha anche contribuito al lavoro e ha eseguito la fabbricazione e la caratterizzazione dei materiali per il progetto.