Zvětšit obrázek

Lamprocyphus augustus.
Tento brazílsky chrobák má asi 2,5 cm. Jeho žiarivá kovovolesklá zelená farba s meniacimi sa odtieňmi je len výsledok lomu, odrazu a interferencie svetla v jemnozrnnej, diamantom podobnej kryštalickej chitínovej štruktúre na povrchu jeho tela. Práve táto štruktúra inšpiruje chemikov Univerzity v Utahu k vytvoreniu nového typu fotonických kryštálov , nevyhnutných pre ultrarýchle počítače. budúcnosti.

Trochu zjednodušenej teórie
Fotonické kryštály možno považovať za optické obdoby k elektronickým polovodičom. Sú to syntetické, prípadne aj prírodné periodické štruktúry, ktoré pomocou difrakcie a interferencie ovplyvňujú pohyb fotónov zvyčajne viditeľného, alebo infračerveného svetla, podobne, ako elektronické polovodiče pomocou kombinácie takzvaných donorov (N) a akceptorov  (P) regulujú pohyb elektrónov. Minimálne rozmery fotonických prvkov (nemusí ísť nevyhnutne o kryštály) sú limitované štvrtinou vlnovej dĺžky príslušného svetla, takže sa jedná zlomky mikrometra až niekoľko mikrometrov. Príroda si už dávno vytvorila obdivuhodné fotonické kryštály, ktorými – bez použitia skutočných pigmentov - vytvára žiarivé farebné metalízy na krídlach motýľov, perí vtákov a krovkách niektorých chrobákov. Aj farebné odlesky drahého opálu sú len hrou svetla vo vnútornej štruktúre polodrahokamu.

Evolučný prototyp
Lamprocyphus augustus je latinské pomenovanie asi 2 a pol centimetrového brazílskeho chrobáka. Jeho telo má krásnu žiarivú farbu, ktorá hrá mnohými odtieňmi zelenej. A to bez ohľadu na uhol pohľadu. To zaujalo aj chemika Michaela Bartla z Univerzity v Utahu. Pomocou rastrovacieho elektrónového mikroskopu skúmal optické tajomstvo štruktúry exoskeletu, vonkajšej chitínového panciera chrobačieho tela. Odhalil, že je pokryté drobnými šupinkami s rozmermi 200 krát 100 mikrónov (milióntin metra), pričom každá z týchto šupiniek sa skladá z ďalších asi 200, voľným okom neviditeľných plôšok. Tie sú pokryté miniatúrnymi, a diamantom podobnými kryštálikmi chitínu. Selektívne odrážajú zelenú zložku bieleho svetla s vlnovou dĺžkou okolo 500 až 550 nanometrov. Navyše sú plôšky voči sebe navzájom rôzne pootočené, čo spôsobuje tú krásnu hru zelených svetelných efektov, nezávislú od smeru pozorovania. Práve táto štruktúra môže predstavovať návod na ideálne fotonické kryštály, ktoré sa vedcom doposiaľ nepodarilo vytvoriť.

„Zdá sa, že jednoduchý tvor, akým je chrobák nám poskytuje jednu z technologicky najvyhľadávanejších štruktúr pre budúce generácie počítačov“, tvrdí Michael Bartl, ktorý je vedúcim výskumného tímu. „Príroda má jednoduché spôsoby na tvorbu štruktúr a materiálov, ktoré sú nedosiahnuteľné našimi prístrojmi a technológiami za milióny dolárov.“

Ako kopírovať dielo prírody
V spolupráci s výskumným strediskom IBM v kalifornskom San José sa Bartlov tím snaží vytvoriť ideálne fotonické kryštály. Prírodnú štruktúru z chrobačieho exoskeletu využívajú len ako formu pre tvorbu syntetických kryštálov z priesvitného polovodičového materiálu. Prírodný chitín na to vhodný nie je, pretože nemá dostatočnú trvácnosť pre dlhodobé použitie, nie je polovodičom a nemá vhodné optické vlastnosti.

Všetka táto snaha smeruje k vývoju optického počítača, ktorý namiesto elektrónov „beží“ na fotóny, teda svetlo. Už teraz sa cez optické káble pomocou blízko infračerveného, či viditeľného svetla prenášajú údaje a prebieha komunikácia. V súčasnosti však takéto informácie musia byť na druhom konci kábla opäť konvertované na elektrický signál, aby mohli byť pre počítač „stráviteľné“.

Zvětšit obrázek

Mikroskopická štruktúra šupiniek na povrchu tela chrobáka Lamprocyphus augustus. Sú tvorené polysacharidom chitínom. Zobrazené šupinky neobsahujú žiadny zelený pigment, len ich štruktúra odráža zelenú zložku svetla. (Photo Credit: Michael Bartl)

Cieľom do budúcna je však ultrarýchly počítač s optickými integrovanými obvodmi, alebo čipmi, ktoré pracujú s fotónmi namiesto elektrónov. Teda so svetlom namiesto elektriny. S takým počítačom „budete schopní riešiť problémy, ktoré v súčasnosti riešiť nevieme. Napríklad úlohy, na ktoré by terajší bežný počítač potreboval roky, optický počítač zvládne za niekoľko sekúnd“ sľubuje Michael Bartl.

Už teraz existujú pre využitie dokonalejších fotonických kryštálov mnohé realistické predstavy a plány. Zvýšia efektivitu solárnych článkov, budú zachytávať a regulovať svetlo pre urýchlenie chemických reakcií, či pomôžu vytvoriť veľmi úzky laserový lúč, ktorý bude slúžiť na ovládanie optických čipov. Ideálne fotonické kryštály by teda boli úplne novým typom optického materiálu, ktorý umožní netradičnú manipuláciu so svetlom.

Dokonca niektoré farby svetla – presnejšie jeho rôzne vlnové dĺžky – by mali nimi prechádzať rôznymi rýchlosťami, zatiaľ čo iné sa vraj budú od ich povrchu odrážať ako od zrkadla. Hoci ideálny fotonický kryštál bol teoreticky opísaný niekedy okolo roku 1990, zatiaľ chýba to podstatné – vhodný materiál. Vedci teoreticky dokázali, že najefektívnejší fotonický kryštál by mal mať vnútornú mriežku podobnú usporiadaniu atómov uhlíka v diamante. Samotný diamant však vhodný nie je, pretože uhlíky v jeho mriežke sú pre manipuláciu s viditeľným svetlom natesnané príliš nahusto.

Ľudské schopnosti vnímať, žasnúť, klásť si otázky a hľadať odpovede sú nielen základom vedeckého výskumu a technického pokroku, ale môžu nesmierne obohatiť aj náš vlastný život. A príroda je nevyčerpateľným zdrojom inšpirácie. Len treba na ňu hľadieť otvorenými, zvedavými očami.

Pôvodny článok: University of Utah