生物に着想を得たフォトニクス

バイオインスパイアードフォトニクスまたはバイオインスパイアード光学材料は、バイオミミクリー（人間の革新のための自然モデル、システム、要素の使用^[1]）をフォトニクス（光の生成、検出、操作の科学と応用^[2]）の分野に応用したものです。これは、光と生物学との相互作用を観察するための光の研究と操作であるバイオフォトニクスとは少し異なります。^[3]インスピレーションの源となる可能性がある分野の1つは構造色で、詳細な材料構造の結果として色が現れます。^{[4]他のインスピレーションは、}カメレオン^[5]や一部の頭足動物などの動物の静的および動的カモフラージュから得ることができます。^{[6]科学者たちはまた、さまざまな}植物や微生物の分子を使用して光を吸収する能力を再現しようとしています。^[7]これらの大きく進化した構造を利用することで、エンジニアは既存のフォトニック技術を改善および最適化し、この分野内の既存の問題を解決することができます。

生物フォトニクスとの最も古い出会いの 1 つは、紀元前 6 世紀 (紀元前) にまで遡ります。最初の科学者として広く知られているギリシャの哲学者アナクシマンドロスには、アナクシメネスという弟子がいました。アナクシメネスは、生物発光について初めて文書に記した人物です。^{[8] [9]}彼は、オールで水を打つと水が光るのを見たと述べています。^[10]同様に、アリストテレスも同じ現象を経験しており、気象学^[11]や色彩論^[12]などの著作に記録しています。彼は、「火でも火の形でもないものが、自然に光を生み出しているように見える」 と述べています。 ^[12]

それほど早くから経験されていたにもかかわらず、なぜそれが起こるのかはまだ説明されていませんでした。1600年代半ばにロバート・フックによって使用された初期の顕微鏡^[13]によって初めて、人間は自然をより詳細に観察できるようになりました。フック自身は1665年に自分が見たものを「ミクログラフィア」という本で出版しました。 ^{[14]ここで彼は、色とりどりの}鳥の羽、ハエの羽と目、シミの真珠のような鱗など、さまざまな生物学的構造について説明しています。自然の微細構造を観察するこの能力は、生物学と光の相互作用の背後にあるメカニズムに関する情報を科学者に提供しました。ロシアの生物物理学者ジュラリョフとアメリカの生化学者セリガーによって出版された「不完全性の理論」は、生物系による超微弱光子の放出に関する最初の作業仮説です。^[15]走査型電子顕微鏡（SEM）などの顕微鏡のさらなる開発^[16]により、この仮説はさらに高まり、科学者は観察された構造を模倣できるようになりました。

さらに、バイオミミクリーの概念は、レオナルド・ダ・ヴィンチを含む多くの科学者によって推進されました。彼は鳥の解剖学と飛行能力の研究に多くの時間を費やしました。彼が残したさまざまなスケッチやメモに示されているように、彼は「空飛ぶ機械」の作成さえ試みました。^[17]失敗に終わったものの、これはバイオミミクリーの最も初期の例の1つでした。

分子バイオミメティクスは、着色を誘発する特定の分子や高分子に基づいた光学材料の設計を伴う。^[18] 分子インプリントポリマー（MIP）は、特に高分子を感知することを目的としています。^[19]また、高分子を色を変える特定の構造に形成することもできます。^{[20]特定の分子} 光吸収を目的とした色素に着想を得た材料が開発されており、例えば、ドーパミンや5,6-ジヒドロキシインドールなどのメラニン前駆体を重合して色の飽和を引き起こすメラニンに着想を得たフィルムがあります。^{[21] [22] [23]}ポリドーパミンは、メラニンに似た色特性を持つ合成ポリマーです。^[24]また、構造色の鮮やかさと安定性を高める働きもあります。^[20]生体（例えば魚類^[25]やカメレオン^{[26] ）に見られる}グアニン分子結晶の多層積層に基づく材料は、潜在的な反射コーティングや太陽光反射板として提案されている。頭足動物^{[27] [28]}やシルク^[29]に見られる自己組織化リフレクチンタンパク質などのタンパク質ベースの光学材料は、カモフラージュシステム^[30]、電子ペーパー（eペーパー）^[31] 、および生物医学的用途のための人工材料への関心を喚起している。^[32] DNAなどの非タンパク質生物学的高分子も、生物に着想を得た光学に利用されている。^[33]地球上で最も豊富なバイオポリマーであるセルロースも、バイオ光学の主成分として利用されている。^{[34] [18]木材やその他のセルロース源を改変すると、光の散乱と吸収を軽減でき、}透明な木材や紙などの光学的に興味深い材料につながる。^{[35] [36]}圧力と溶媒の極性は、製造されたセルロース膜の色に影響を与え、肉眼で検出できるほどである。セルロースは、処理後にナノフィブリルまたはナノ結晶として使用することもできる。そのような処理の1つは、ニトロセルロースを形成するためのニトロ化剤を含む。^[20] セルロースナノ結晶は、 光を偏光する。^[37]

構造色は、光とナノサイズの構造との相互作用から生じる色の一種です。^{[38]この相互作用は、これらのフォトニック構造が光の波長と同じサイズであるため可能です。建設的干渉と破壊的}干渉のメカニズムを通じて、特定の色は増幅され、他の色は減少します。

フォトニック構造は自然界に豊富に存在し、さまざまな生物に存在します。異なる生物は異なる構造を使用しており、それぞれが望ましい効果を得るために設計された異なる形態を持っています。この例としては、孔雀の羽の鮮やかな色の基盤となるフォトニック結晶^{[39]や、一部の}モルフォ蝶の鮮やかな青色の原因となる樹木のような構造が挙げられます。^[40]

構造を利用した生物にヒントを得たフォトニクスの一例としては、いわゆる蛾の目があります。蛾の目には、色を出さずに反射率を下げる整然とした円筒状の構造があります。^[41]この概念は、反射防止コーティングの開発につながりました。^[42]

化学構造とそれが可視光とどのように相互作用するかの組み合わせにより、生物の自然界に色が生まれます。^[4]特定の生物学的フォトニクスを作成するには、構造の化学成分、物理学によって生み出される光学応答、および構造の機能を特定する必要があります。^[20]自然が作り出す複雑な構造は、単純な準秩序構造から階層的な複雑な形成まで多岐にわたります。^[4]

自然は、パターンや色を作り出すために、結晶格子パラメータなどのナノ構造を操作することがある。 ^{[20] [43] [44] [45] [46]}孔雀の羽枝（羽毛の色を保持する個々の繊維）は、ケラチンの外層と、穴で区切られたケラチンでつながったメラニン棒の配列を含む内層でできている。メラニン棒がケラチン外層の構造の格子配列と平行になると、茶色が生まれます。羽毛のその他の色は、メラニン層の間隔を変えることで作り出されます。^{[20] [47] [48] [49]}

非周期的フォトニック構造は単位格子を持たず、高い屈折率差を必要とせずにバンドギャップを作り出すことができる。準秩序結晶構造としても知られ、青と緑の色を作り出す。^[20]

これらはねじれた多層構造で、繊維は同じ方向に整列し、各層はわずかに回転しています。^{[50] [51]}この構造により、自然界では偏光が反射され、ブラッグ反射によって強い値が生成されます。^{[4] [20] [51]}

応用形態として、バイオフォトニクスは抗菌性と自己修復性を示すために使用されます。銀ナノ粒子の存在は細菌の付着を防ぐため（ハイドロゲル内にすでに細菌が存在している）、ハイドロゲルの劣化と退色を引き起こします。これにより、人工ハイドロゲルは自己修復後にその完全性を色で表示することができます。^{[4] [52]}

ナノ構造は蝶や甲虫の虹彩に寄与している。多層構造は一般的で、典型的には1次元または3次元構造であり、2次元構造はより稀である。^[53]構造の無秩序性と不規則性は「意図的」であり、生息地に適応している。この構造はうまく再現されており、コーティングとして使用することができる。^[54]また、安定した鮮やかな色が求められる用途にも使用されている。柔軟性が高いため、パターンを持つように設計することもできる。^[55] 

SEMを使用してホタル（Photuris sp. ）を観察すると、その発光キューティクルが特定の2D周期構造を持っていることが観察されました。それは、傾斜した斜面を向いた鱗と、鱗の突出側に鋭いエッジを備えた「工場の屋根」のようなパターンに従って構造化されています。^{[56] [57]}発光ダイオード（LED）上のフォトレジスト層を使用して同様の構造をモデル化すると、68％の電力増加と55％の光抽出効率（LEE）の増加が得られました。この技術は、同じ量の光を生成するために消費されるエネルギーの量を削減します。^[58]

応答性材料とは、外部刺激が発生したときにそれに反応できる材料または装置のことである。新しい環境に適応するには少し時間がかかるが、その考え方は自然界で見られるものと一致している。最もよく使われる例はカメレオンやタコで、それらの応答性皮膚は皮膚の色や質感さえも変えることができる。^[59]これらの戦術の背後にあるメカニズムは色素胞と呼ばれ、筋肉と神経を使って動物の外観を変える色素で満たされた袋である。これらの色素胞は神経活動によって活性化されるため、動物は考えるだけで色を変えることができる。^[60]動物は別のメカニズムを使って、どの色や形をとるべきかを知ることができる。皮膚内のオプシンと呼ばれる光感受性細胞は光（そしておそらく色）を検出することができる。動物はこれらのオプシンを有利に利用して周囲を素早く評価し、その後色素胞をオンにして状況に正確にカモフラージュすることができる。

多くの生物は、体にカモフラージュ機能を備えています。右の図の魚を例にとってみましょう。この仮説では、周囲の環境に応じて、動物は2つの異なる方法で現れる可能性があります。海の真ん中ですべての固体から離れた場所では、ほぼ半透明に見えます。潜在的な捕食者が上からしか感知できない海底近くでは、岩の底に自然に溶け込むように暗い色に変わります。多くの魚、例えば海のハチェットフィッシュは、これらの外観を実現するためにカモフラージュ技術を組み合わせています。^{[61]一般的な戦術である} 銀化は、非常に反射率の高い鱗を利用して周囲の光を効果的に反射し、側面から鱗が見えないようにするものです。深海に住む生物が主に使用する戦術であるカウンターイルミネーションは、体の底にある発光器官を使用して光を発し、下から明るく見えるようにします。この角度では、発せられる光の強度は、水面に現れる太陽光を再現するように設計されています。したがって、下から見ると、この生物は多くの捕食者にとって本質的に見えません。

発光器官の内部には、光細胞と神経枝の層状構造があり、それらの間のギャップ結合は比較的小さい。 ^[62]これらの神経光細胞ユニットの広範な相互接続性と層状構造により、深海魚は状況に自発的に発光して迅速に反応できると考えられている。すべての神経は脊髄（ひいては脳）に直接接続されているため、研究者は電子信号がこれらの光細胞の反応を引き起こす可能性があると考えている。^[63]この考え方に基づいて、科学者はこのタイプの神経光細胞ユニットを使用する技術の開発に取り組んでいる。

これらの生物学的にヒントを得た材料は、さまざまな状況で応用できます。^[64]この技術は、物体をカモフラージュしたり、形状を変えながらも望ましい特性を維持できる装置を作ったり、さらには生物医学的応用に関連して人々を助けるために使用できます。この技術のコーティングは、異物を生きた生態系、つまり人体に組み込むのに役立ちます。この装置の技術により、人の抗体が新しい物体を非脅威として検出できるため、胸部に心臓ペーシング装置など、人工のツールを体内に受け入れやすくなります。