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通過(guò)在化學(xué)上進(jìn)行輕微的改變來(lái)雕刻光學(xué)微結(jié)構(gòu)  這些研究人員聯(lián)合在一起使用這個(gè)框架來(lái)生長(zhǎng)復(fù)雜的光學(xué)微器件。 這項(xiàng)研究成果發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上。 當(dāng)涉及到多功能材料的制造時(shí)，大自然將人類(lèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的甩在了后面。海洋軟體動(dòng)物可以將光子結(jié)構(gòu)嵌入到它們彎曲的殼內(nèi)而不會(huì)影響殼的強(qiáng)度；深海海綿進(jìn)化出光導(dǎo)纖維將光線導(dǎo)給與其共生的生物；而海蛇的骨骼上覆蓋著鏡頭來(lái)將光線聚焦進(jìn)體內(nèi)，以在晚上“看到”周?chē)那闆r。在生長(zhǎng)過(guò)程中，這些復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)整出微小的，定義良好的曲線和中空形狀，以更好地引導(dǎo)和捕獲光線。 在實(shí)驗(yàn)室中制造復(fù)雜的仿生形狀往往需要花費(fèi)很多的時(shí)間和成本。2013年的突破性進(jìn)展是由Amy Smith Berylson材料科學(xué)與化學(xué)以及化學(xué)生物學(xué)榮譽(yù)教授，Wyss研究所的核心成員，材料科學(xué)家Joanna Aizenberg以及前博士后研究員Wim L. Noorduin領(lǐng)導(dǎo)的。這項(xiàng)研究使得研究人員能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地操縱燒杯中的化學(xué)梯度來(lái)在襯底上制造精致的花狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)由碳酸鹽和玻璃組成，形成一束薄薄的墻。 那個(gè)時(shí)候這項(xiàng)研究所缺乏的是對(duì)其中所涉及的機(jī)制的定量理解，而這會(huì)使我們能夠?qū)@些結(jié)構(gòu)進(jìn)行更精確的控制。 理論學(xué)家的進(jìn)入。 受到用來(lái)解釋凝固和結(jié)晶模式的理論的啟發(fā)，Lola England de Valpine應(yīng)用數(shù)學(xué)，物理以及有機(jī)和進(jìn)化生物學(xué)榮譽(yù)教授L.Mahadevan，和博士后研究員C. Nadir Kaplan，開(kāi)發(fā)出一套新的幾何框架來(lái)解釋了以前的沉積圖案是怎么生長(zhǎng)的，甚至還預(yù)測(cè)了新的結(jié)構(gòu)。 Mahadevan同時(shí)也是Wyss研究所的核心成員。 在實(shí)驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)的形狀可以通過(guò)改變形成該形狀的溶液的pH值來(lái)控制。 “在高pH值下，這些結(jié)構(gòu)會(huì)以一種平坦的方式生長(zhǎng)，從而會(huì)得到一個(gè)扁平的形狀，就像花瓶的一面，”該文章的共同作者Kaplan說(shuō)，“而在低pH值下，結(jié)構(gòu)開(kāi)始彎曲，從而得到螺旋結(jié)構(gòu)�！� 當(dāng)Kaplan用代表化學(xué)變化的數(shù)學(xué)參數(shù)來(lái)求解關(guān)于pH值的函數(shù)的方程時(shí)，他發(fā)現(xiàn)他可以重建出由Noorduin和Aizenberg開(kāi)發(fā)的所有形狀——并由此提出新的結(jié)構(gòu)。 “一旦我們理解了這些結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)和形式，我們就可以量化它們；我們的目標(biāo)是利用這個(gè)理論來(lái)得出一個(gè)方法，來(lái)從下而上地構(gòu)建光學(xué)結(jié)構(gòu)，”Kaplan說(shuō)。 Kaplan和Noorduin一起生長(zhǎng)諧振器，波導(dǎo)的分束器。 “當(dāng)我們有了這個(gè)理論框架，我們就能夠以實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)展示相同的工藝，”Noorduin說(shuō)，他是本文的共同第一作者�！拔覀儾粌H能夠生長(zhǎng)這些微觀結(jié)構(gòu)，而且我們還可以證明它們導(dǎo)光的能力。” Noorduin現(xiàn)在是荷蘭材料研究組織原子和分子物理學(xué)研究所（AMOLF）的一個(gè)小組的帶頭人。 “這種方法可能會(huì)提供一種可擴(kuò)展的、廉價(jià)而精確的用來(lái)制造不能用自上而下的方式來(lái)制造的復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的策略，并且根據(jù)磁學(xué)、電子學(xué)或光學(xué)的應(yīng)用的需求來(lái)對(duì)其進(jìn)行剪裁，”Joanna Aizenberg說(shuō)，他是該文章的共同作者。 “我們的理論表明，除了生長(zhǎng)，碳酸鹽-氧化硅結(jié)構(gòu)也能夠沿著薄壁的邊緣進(jìn)行彎曲，”該論文的資深作者M(jìn)ahadevan說(shuō)�！巴ǔＴ趥鹘y(tǒng)的晶體例如生長(zhǎng)中的雪花中，是沒(méi)有這種額外的自由度的。這指向了一種新的礦化生長(zhǎng)機(jī)制，而且因?yàn)樵摾碚撆c規(guī)模是不相關(guān)的，因此它可能可以適應(yīng)物理與生物系統(tǒng)中的其他幾何約束的生長(zhǎng)現(xiàn)象�！� |
