Según los investigadores de Penn State, es posible un método inspirado en la naturaleza para modelar el reflejo de la luz de la piel de los peces plateados y otros organismos.
Tal técnica puede ser aplicable al desarrollo de mejores reflectores de banda ancha y filtros multiespectrales personalizados para una amplia variedad de aplicaciones, incluidos recubrimientos ópticos avanzados para vidrio, protección láser, sistemas de imágenes infrarrojas, sistemas de comunicación óptica y fotovoltaica, según Douglas Werner, John L. y Genevieve H. McCain, Profesor titular de Ingeniería Eléctrica en Penn State.
El modelo propuesto también contribuye a la comprensión de las capas reflectantes en la piel de algunos organismos. Las pieles brillantes de ciertos peces cinta reflejan la luz a través de una amplia gama de longitudes de onda, dándoles una apariencia metálica brillante. La reflectividad es el resultado del apiladocapas de compuestos orgánicos cristalinos incrustados en el citoplasma de su piel. Algunos organismos con brillos metálicos tienen capas que se apilan en un patrón regular, mientras que otros, incluido el pez cinta, tienen patrones de apilamiento descritos como "caóticos" o aleatorios. El equipo de Penn State ha determinadoque el apilamiento no es completamente aleatorio y desarrolló algoritmos matemáticos para replicar esos patrones en materiales semiconductores.
"Estamos proponiendo un modelo que usa geometría fractal para describir las capas en la estructura biológica de los peces plateados", dice Jeremy Bossard, investigador postdoctoral en ingeniería eléctrica, Penn State. "Si bien no estamos tratando de reproducir la estructura encontrada ennaturaleza, el mismo modelo podría guiar el diseño de dispositivos como los espejos de banda ancha ".
Los fractales han sido llamados la "geometría de la naturaleza" porque pueden ayudar a describir los patrones irregulares pero similares que ocurren en objetos naturales como ramas de árboles ramificados. Los investigadores usan un fractal unidimensional, conocido como un fractal de barra de Cantor, que es básicamente una línea dividida por espacios o huecos. Normalmente, los fractales de Cantor parecen ser muy regulares, pero cuando se introducen cambios aleatorios en la geometría, surge un patrón más complejo. El patrón se asemeja a las capas de capas reflectantes en la piel de pez cinta.
"Hay un patrón subyacente, pero hay una aleatoriedad incorporada", dice Bossard, "similar a la forma en que los árboles vivos tienen un patrón fractal general pero no crecen simétricamente".
Los investigadores luego usan otro método computacional inspirado en la naturaleza llamado algoritmo genético que imita la evolución darwiniana para crear generaciones sucesivas de patrones fractales a partir de los patrones parentales. Más de aproximadamente 100 generaciones, los patrones convergen en el mejor diseño para cumplir con todos los requisitos objetivo.
Utilizando estas barras de Cantor aleatorias fractales y el algoritmo genético, los investigadores pudieron generar matemáticamente patrones dirigidos a funciones ópticas en los rangos de infrarrojo medio y cercano, incluida la reflexión de banda ancha. Proponen que el enfoque de diseño podría usarse para desarrollarpilas a nanoescala con espectros reflectantes personalizados. Los resultados de la investigación se informaron en la edición del 13 de enero de 2016 de la revista Journal of the Royal Society Interface en un documento titulado "Superredes de Cantor fractales al azar en evolución para el infrarrojo usando un algoritmo genético".
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Materiales proporcionado por Instituto de Investigación de Materiales de Penn State . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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