UNIVERSITÄTSBIBLIOTHEK

Biomimetics in micro- and nano-photonics

  • There are a lot of photonic micro- and nano-structures in nature that consist of materials with a low refractive index and that can keep up with artificial structures concerning optical properties like scattering or coloration. This work aims to understand the photonic structures in the silver ant Cataglyphis bombycina, the blue butterfly of genus Morpho, the beetle Entimus imperialis, which shows polarization-dependent reflection, and the white beetle Cyphochilus insulanus. Furthermore, corresponding micro- and nano-structures are fabricated. Bioinspired models with the same optical properties as the investigated structures are developed and analyzed using geometric optics and finite-difference time-domain calculations. These models are qualitatively and quantitatively compared regarding their optical properties with the original structures and fabricated by direct laser writing. To mimic potential effects of material-based disorder of the natural photonic structures, a cellulose-based resist for direct laser writing is developed and examined. Conventional resists in direct laser writing can be replaced by a resist containing cellulose derivatives. Here, different combinations of cellulose derivatives, initiators, and solvents are examined. The best performance is observed for a combination of methacrylated cellulose acetate (MACA500), 2-Isopropyl-9H-thioxanthen-9-one (ITX), and dimethyl sulfoxide (DMSO). These resists allow for direction is attained. The achieved cross-linking enables stable three-dimensional structures and, together with the possible resolution, allows to fabricate the model inspired by the white beetle Cyphochilus insulanus in the cellulose-based resist. The silver appearance of the Cataglyphis bombycina can be completely explained with geometric optics in the prism-shaped hairs that cover its body. The more complex structures of the other three insects use photonic crystal-like material arrangements with a varying amount of disorder. The polarization dependence of the Entimus imperialis arises from a diamond structure inside the scales of the beetle and can be mimicked with a photonic woodpile crystal. The blue butterfly of the genus Morpho and the white beetle Cyphochilus insulanus both can be reduced to disordered Bragg stacks, in which the exact properties are achieved by introducing different amounts of disorder. For Cataglyphis bombycina, Entimus imperialis, and Cyphochilus insulanus, the developed bioinspired models are fabricated using conventional resists in direct laser writing. All models show a qualitative correspondence to the optical properties of the original structures. The cellulose-based resists enable the use of polysaccharides in direct laser writing and the concepts can be transferred to other polysaccharides, like chitin. The analysis of the different natural photonic structures and the developed bioinspired models reveal a material independence of the structures that allows the fabrication of these models in different transparent materials.
  • Es gibt verschiedenste Mikro- und Nano-Strukturen in der Natur, die aus Materialien mit niedrigem Brechungsindex bestehen und die in ihren optischen Eigenschaften, wie Streuung oder Farbgebung, mit künstlichen Strukturen vergleichbar sind. Ziel dieser Arbeit ist es, die Strukturen der Silberameise Cataglyphis bombycina, des blauen Schmetterlings der Gattung Morpho, des Käfers Entimus imperialis, der eine polarisationsabhängige Reflexion zeigt, und des weißen Käfers Cyphochilus insulanus zu verstehen. Entsprechende bioinspirierte Strukturen sollen hergestellt werden. Die bioinspirierten Modelle der Strukturen werden entwickelt und mithilfe geometrischer Optik und Finite-Differenzen-Methoden im Zeitbereich analysiert. Die Modelle werden qualitativ und quantitativ in ihren optischen Eigenschaften mit den Originalstrukturen verglichen und mit direktem Laserschreiben hergestellt. Um eventuelle materialbedingte Unordnung der biologischen, photonischen Strukturen nachzuahmen, wird ein neuer cellulosebasierter Lack für das direkte Laserschreiben entwickelt und untersucht. Die herkömmlichen Lacke für das direkte Laserschreiben lassen sich durch Lacke mit Cellulosederivaten ersetzen. Dabei werden Kombinationen von unterschiedlichen Cellulosederivaten, Photoinitiatoren und Lösungsmitteln untersucht. Die besten Ergebnisse werden mit einer Kombination aus einem methacrylierten Celluloseacetat (MACA500), 2-Isopropyl-9H-thioxanthen-9-one (ITX) und Dimethylsulfoxid (DMSO) erzielt. Diese Kombination erlaubt eine reproduzierbare Strukturierung bei erschwinglichen Laserleistungen (≪50 "mW" ). Durch eine Anpassung der Mischungsverhältnisse und der Prozessparameter können Strukturgrößen von wenigen Hundert Nanometern (130 "nm" ) und eine Auflösung der verschiedenen Strukturen bis zu 600 "nm" in lateraler Richtung, senkrecht zum Laserstrahl, und bis 2.1 "μm" in axialer Richtung erreicht werden. Die erzielte Vernetzung ermöglicht stabile Strukturen und, mit der erreichten Auflösung, auch die Fertigung biomimetischer Strukturmodelle, wie der Modellstruktur, die durch den weißen Käfer Cyphochilus insulanus inspiriert ist, in cellulosebasierten Photolacken. Das silberne Aussehen der Cataglyphis bombycina kann vollständig durch geometrische Optik an den prismenförmigen Haaren der Ameise erklärt werden. Die komplizierteren Strukturen der anderen Insekten basieren auf photonischen Kristallen, die ein unterschiedliches Maß an Unordnung aufweisen. Die polarisationsabhängige Reflexion des Käfers Entimus imperialis rührt von einer Diamantstruktur im Inneren der Schuppen des Käfers her und kann durch sogenannte photonische Woodpile-Strukturen imitiert werden. Der blaue Schmetterling der Gattung Morpho und der weiße Käfer Cyphochilus insulanus basieren beide auf ungeordneten Bragg-Spiegeln. Die exakten Eigenschaften der Strukturen werden dabei allein durch das Maß an Unordnung bestimmt. Für die Cataglyphis bombycina, den Entimus imperialis und den Cyphochilus insulanus werden die bioinspirierten Modellstrukturen in herkömmlichen Photolacken mit direktem Laserschreiben hergestellt. Alle Modellstrukturen entsprechen in ihren optischen Eigenschaften qualitativ den Originalstrukturen. Die Verwendung cellulosebasierter Lacke stellt den Einzug der Polysaccharide in das direkte Laserschreiben dar und die Ergebnisse lassen sich auf andere Polysaccharide, wie Chitin, übertragen. Die Untersuchung der verschiedenen natürlichen photonischen Strukturen und die entwickelten bioinspirierten Modelle haben eine Materialunabhängigkeit der Strukturen gezeigt, die eine Fertigung der Modelle in verschiedensten transparenten Materialien ermöglicht.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Marie-Christin Heep
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-66377
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6637
Subtitle (German):Material and structural aspects
Advisor:Georg von Freymann
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Publication Date:2021/11/01
Year of Publication:2021
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2021/09/08
Date of the Publication (Server):2021/11/02
Tag:Biomimetic; DLW; direct laser writing; photonic structures
GND-Keyword:Bionik; Cellulose; Celluloseacetat; Photonischer Kristall
Number of page:X, 111
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Physik
DDC-Cassification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification (physics):40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h)
80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 81.00.00 Materials science
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell (CC BY-NC 4.0)