Une méthode inspirée de la nature pour modéliser la réflexion de la lumière de la peau des poissons argentés et d'autres organismes peut être possible, selon les chercheurs de Penn State.

Une telle technique peut être applicable au développement de meilleurs réflecteurs à large bande et de filtres multispectraux personnalisés pour une grande variété d'applications, y compris les revêtements optiques avancés pour le verre, protection laser, systèmes d'imagerie infrarouge, systèmes de communication optique et photovoltaïque, selon Douglas Werner, John L. et Genevieve H. McCain Chaire de professeur en génie électrique, État de Penn.

Le modèle proposé contribue également à la compréhension de la stratification réfléchissante dans la peau de certains organismes. La peau brillante de certains poissons rubans réfléchit la lumière sur une large gamme de longueurs d'onde, leur donnant un aspect métallique brillant. La réflectivité est le résultat de couches empilées de composés organiques cristallins incrustés dans le cytoplasme de leur peau. Certains organismes aux reflets métalliques ont des couches empilées selon un motif régulier, pendant que les autres, y compris le poisson ruban, ont des modèles d'empilement décrits comme "chaotiques" ou aléatoires. L'équipe de Penn State a déterminé que l'empilement n'est pas complètement aléatoire et a développé des algorithmes mathématiques pour reproduire ces modèles dans les matériaux semi-conducteurs.

"Nous proposons un modèle qui utilise la géométrie fractale pour décrire la stratification dans la structure biologique des poissons argentés, " dit Jérémy Bossard, chercheur postdoctoral en génie électrique, État de Penn. "Alors que nous n'essayons pas de reproduire la structure trouvée dans la nature, le même modèle pourrait guider la conception d'appareils tels que des miroirs à large bande."

Les fractales ont été appelées la « géométrie de la nature » car elles peuvent aider à décrire les motifs irréguliers mais auto-similaires qui se produisent dans les objets naturels tels que les branches d'arbres ramifiées. Les chercheurs utilisent une fractale unidimensionnelle, connue sous le nom de fractale à barre de Cantor, qui est une ligne divisée par des espaces ou des lacunes. Normalement, Les fractales de Cantor semblent être très régulières, mais lorsque des changements aléatoires sont introduits dans la géométrie, un modèle plus complexe émerge. Le motif ressemble à la superposition de couches réfléchissantes dans la peau de poisson ruban.

"Il y a un modèle sous-jacent, mais il y a de l'aléatoire intégré, " dit Bossard, "semblable à la façon dont les arbres vivants ont un motif fractal global mais ne poussent pas de manière symétrique."

Les chercheurs utilisent ensuite une autre méthode de calcul inspirée de la nature appelée algorithme génétique qui imite l'évolution darwinienne pour créer des générations successives de motifs fractals à partir des motifs parents. Sur une centaine de générations, les motifs convergent vers le meilleur design pour répondre à toutes les exigences cibles.

En utilisant ces barres de Cantor aléatoires fractales et l'algorithme génétique, les chercheurs ont pu générer mathématiquement des motifs ciblant les fonctions optiques dans les gammes infrarouge moyen et proche infrarouge, y compris la réflexion à large bande. Ils proposent que l'approche de conception puisse être utilisée pour développer des empilements à l'échelle nanométrique avec des spectres de réflexion personnalisés. Les résultats de la recherche sont publiés dans le 13 janvier édition 2016 du Journal de la Royal Society Interface dans "Evolution des super-réseaux fractals aléatoires de Cantor pour l'infrarouge à l'aide d'un algorithme génétique."

Lan Lin, un doctorat récent. diplômé en génie électrique, a également contribué aux travaux et effectué la fabrication et la caractérisation des matériaux pour le projet.