Многие насекомые, птицы, рыбы и земноводные способны излучать свет для коммуникации друг с другом. Наиболее эффективным образом это делают светляки — семейство жуков, ведущих ночной образ жизни. Орган свечения светляка образован крупными фотогенными клетками и располагается под прозрачной кутикулой. Как и другие животные, с помощью световых сигналов светляки общаются, в основном, с противоположным полом: это поисковые сигналы самцов, сигналы «согласия» или «отказа» самок и т.д.
В отличие от искусственных светодиодов, поверхность органа свечения у светляка не гладкая, а покрыта асимметричной иерархической структурой из наклонных кутикул необычной формы (см. ниже).
Исключительная эффективность такого органа свечения привлекла внимание исследователей из Корейского института науки и технологий. Следуя принципам бионики, они сконструировали органические светодиоды (OLED) по образцу кутикул, предварительно изучив их оптические свойства. Это первое научное исследование такого рода.
На иллюстрации внизу показано, что нанопокрытие OLED совпадает с иерархической структурой наклонных кутикул, созданных за миллионы лет эволюции светляков.
С новым покрытием OLED показал на 60% более высокую эффективность светоотдачи за счёт уменьшения внутреннего отражения и на 15% более широкий угол освещения. Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (doi: 10.1021/acs.nanolett.5b05183, pdf).
«Эта работа сообщает о первом наблюдении иерархических структур, а именно наклонных микроструктур с наноструктурами, существующих на кутикулярных ультраструктурах органа свечения светляков, — объяснил Ки Хун Чон (Ki-Hun Jeong), ведущий автор научной работы. — Наши широкомасштабные фотонные расчёты ясно показали, что функциональность асимметричных и иерархических структур вносит значительный вклад в эффективность светоотдачи и величину угла освещения при биолюминисценции. Это знание, полученное от светляков, было успешно реализовано в органических светодиодах следующего поколения».
Улучшенные характеристики достигнуты благодаря значительному уменьшению показателя внутреннего отражения в OLED. Это одна из самых главных проблем в производстве светодиодов, где более половины излучаемого света отражается обратно, то есть не выходит за пределы прибора. Учёные уже пытались мимикрировать подобные биологические структуры, но авторы нового исследования провели детальные расчёты и показали, что именно асимметричная и иерахическая структура играет ключевую роль в свойствах органа свечения у светляка.
Авторы не только изучили свойства, но и предложили оптимальный технический процесс для изготовления светодиодов с таким покрытием.
