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纳米3D打印技术研究孔雀蜘蛛彩虹色显示,或影响光线技术新突破

在过去几年中,3D技术一直应用于自然界的研究,因为扫描和3D打印方法的精确度使得科学家能够更加近距离地观察由各种动植物开发的复杂而迷人的结构和模式。这个领域的最新突破是关于澳大利亚的彩虹孔雀蜘蛛。一组研究人员使用纳米3D打印技术来弄清楚它是如何产生多色彩虹显示的,他们的发现现在可以用于各种工程应用。

纳米3D打印技术研究孔雀蜘蛛彩虹色显示,或影响光线技术新突破

澳大利亚的孔雀蜘蛛可能是蜘蛛纲家族中最引人注目的成员,而彩虹孔雀蜘蛛是它们中最令人印象深刻的物种。雄性彩虹孔雀蜘蛛用醒目的彩色显示器来吸引伴侣。五毫米的蜘蛛比孔雀更令人印象深刻,这是因为它能够呈现全彩的彩虹。这是自然界唯一有能力的生物,对此,研究人员想知道它究竟是如何做到的。

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这个研究项目是跨学科的合作,由加利福尼亚圣地亚哥大学斯克里普斯海洋学研究所的博士后研究人员Bor-Kai Hsiung领导。在Todd Blackledge和Matthew Shawkey的指导下,在Akron大学学习。对于他的博士论文, Hsiung在研究大自然是如何调制彩虹色的,他从极端的两端接近了这个问题。除了彩虹孔雀蜘蛛之外,他还研究了非彩虹色蓝色狼蛛的解剖。

他接着组建了一个国际团队,其中包括来自阿克伦大学、加州理工学院、内布拉斯加大学林肯分校、比利时根特大学、荷兰格罗宁根大学和澳大利亚的生物学家、物理学家和工程师。他们开始着手确定彩虹孔雀蜘蛛的彩虹颜色是如何起作用的。研究小组利用光学和电子显微镜、高光谱成像、成像散射测量和光学建模。这些技术使他们能够对蜘蛛的彩虹色是如何通过其尺度创造出一些普遍的假设,然后转向3D打印以便测试这些假设。

使用专门的纳米3D打印技术构建原型并对其进行实验,最终证明彩虹色是由专门的腹部鳞片产生的。蜘蛛的鳞片结合了表面上的纳米级衍射光栅结构的翼型微观三维轮廓。表面纳米衍射光栅与尺度的微观曲率之间的相互作用导致光分离和分离成其分量波长,以产生强烈的彩虹色,并引起我们的注意。通过比现在人造工程技术所能实现的更精细的角度和更小的距离来实现光的分离和隔离。

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加州理工学院的研究合作者之一Radwanul Hasan Siddique说:“作为一名工程师,我发现这些蜘蛛结构色彩令人着迷,这些长期进化的复杂结构如何能够超越人类工程学。即使采用高端制造技术,我们也无法复制确切的结构。我不知道这些蜘蛛如何把这些奇特的结构模式集合在一起!”

彩虹孔雀蜘蛛如何产生自己的小彩虹的发现可能被证明是工程和其他领域的重大发展,其规模机制可能会影响彩色和光线技术的新突破。研究结果可能有助于克服目前光谱操作的局限性,以及减小光谱仪的尺寸。这可以用于需要在一个非常小的封装中进行精细光谱分辨率的应用,特别是空间探索任务的仪器或工业环境的可穿戴式化学探测系统。

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