[09/01/2013] News
Le lucciole non sono scomparse e ci insegnano a produrre Led più luminosi
Una nuova copertura bio-ispirata a scaglie aumenta l’efficienza dei Led del 55%
Due team di scienziati belgi, francesi e canadesi hanno cercato ispirazione nella poetica luce notturna delle lucciole per modificare e rendere più efficiente un light-emitting diode (Led). Ne sono venuti fuori due studi pubblicati su Optics Express, la rivista della l'Optical Society (Osa) che riunisce la comunità globale dell'ottica, che indagano sulla struttura interna delle lanterne delle lucciole, gli organi bioluminescenti sull'addome che questi insetti utilizzano per attirare il partner.
Il primo studio, "Improved light extraction in the bioluminescent lantern of a Photuris firefly (Lampyridae)", realizzato da ricercatori belgi e francesi, sottolinea che «Un problema comune delle sorgenti luminose che emettono nell'aria da un "high-refractive index medium" è la perdita di fotoni per riflessione interna totale. Gli organismi bioluminescenti, così come i dispositivi artificiali, devono affrontare questo problema. Ci si aspetta che la vita, con i suoi meccanismi evolutivi, abbia selezionato appropriate strutture ottiche per aggirare, almeno parzialmente, questo problema. E' stata esaminata la morfologia della lanterna di una specifica lucciola del genere Photuris. Le proprietà ottiche delle diverse parti di questo apparato sono state modellate per determinare il loro effetto positivo o negativo per quanto riguarda l'estrazione globale della luce. Concludiamo che i pezzi più efficaci della struttura della lanterna "misfit" delle scaglie esterne (che producono una repentina asperità nell'aria) e l'abbassamento dell'indice di rifrazione a livello del cluster di fotociti, dove avviene la produzione bioluminescente».
Il secondo studio, "An optimal light-extracting overlayer, inspired by the lantern of a Photuris firefly, to improve the external efficiency of existing light-emitting diode", prodotto da ricercatori belgi e canadesi, descrive la fabbricazione, progettazione e caratterizzazione di un overlayer bio-ispirato depositato su un GaN Led. «Lo scopo - si legge su Optics Express - è quello di migliorare l'estrazione di luce dell'overlayer in aria dall'high refractive-index active material del diodo. Il layer design si ispira alla microstruttura trovata nel lucciola Photuris sp. Le attuali dimensioni e la composizione dei materiali sono stati ottimizzati per tenere conto dell'alto indice di rifrazione del GaN diode stack. Questo modello bidimensionale contrasta altri progetti dal profilo inusuale, per le dimensioni più ampie e per il fatto che può essere adattato ad un diode design esistente, anziché richiedere una completa riprogettazione della geometria del diodo. Il guadagno di estrazione luce raggiunge valori fino al 55% rispetto ai Led di riferimento non trasformati».
Annick Bay, del Research center in physics of matter and radiation, del dipartimento di fisica dell'università belga di Namur, che ha guidato entrambi I team di ricerca, spiega su EurekAlert! Che «L'aspetto più importante di questo lavoro è che mostra quanto possiamo imparare osservando attentamente la natura».
Il tutto nasce da un'intuizione di Jean Pol Vigneron, dell' X-ray imaging group dell' European synchrotron research facility (Esrf) di Grenoble, che durante una ricerca in Sudamerica sullo scarabeo tartaruga panamense (Charidotella egregia), ha notato nuvole di lucciole scintillanti e portato alcuni esemplari al laboratorio per esaminarle in modo più dettagliato. Le lucciole producono luce con una reazione chimica nei fotociti e la luce viene emessa attraverso una parte dell'esoscheletro: la cuticola, dove viaggia più lentamente di quanto avviene nell'aria, ottenendo così una maggior riflessione all'interno della lanterna, con un oscuramento del bagliore. Ma la geometria unica della superficie delle cuticole di alcune lucciole, tuttavia, può aiutare a minimizzare le riflessioni interne, il che significa che più emissioni luminose possono raggiungere gli occhi dei potenziali pretendenti della lucciola.
Su Optics Express i due team dei quali fanno parte Bay e Vigneron descrivono le strutture complesse trovate esaminando le lanterne delle lucciole ed hanno scoperto che presentano caratteristiche che potrebbero migliorare la progettazione dei Led. Grazie all'utilizzo di microscopi elettronici a scansione, i ricercatori hanno identificato strutture simili a scaglie (misfit scales) sia a scala nanometrica che più grandi, sulle cuticole le lucciole. Quando hanno utilizzato simulazioni al computer per capire come le strutture fossero interessate alla trasmissione della luce hanno scoperto che era dai bordi taglienti delle scaglie frastagliate che usciva più luce. La scoperta è stata confermata sperimentalmente quando i ricercatori hanno osservato sui bordi un'incandescenza più luminosa quando la cuticola è stata illuminata dal basso.
Bay spiega che la disposizione di queste scaglie somiglia a quella della copertura di un tetto: «Le sporgenze si ripetono circa ogni 10 micrometri, con una altezza di circa 3 micrometri. All'inizio abbiamo pensato che fossero più importanti le piccole strutture a nanoscala, ma sorprendentemente alla fine abbiamo trovato che la struttura che è più efficace per migliorare l'estrazione luce è questa struttura su grande scala».
I dispositivi prodotti dall'uomo, come i Led, che emettono luce devono affrontare gli stessi problemi di riflessione interni delle lanterne delle lucciole e Bay ed i suoi team pensano che copiando il rivestimento a scaglie (o a tegole) delle lucciole si possa aumentare la luminosità dei Led. Ci hanno provato con il secondo studio creando un overlayer frastagliato in cima ad uno "standard gallium nitride Led". Nicolas André, un ricercatore del Laboratoire nanotechnologies et nanosystemes dell'università canadese di Sherbrooke, ha depositato uno strato di materiale sensibile alla luce in cima al Led e quindi è intervenuto con un laser per creare scaglie/tegole. Dato che i Led sono fatti con un materiale che "rallenta" la luce ancora più della cuticola le lucciole, gli scienziati belgi e canadesi hanno regolato le dimensioni delle sporgenze ad un'altezza e una larghezza di 5 micrometri per ottimizzare l'estrazione di luce.
Bay sottolinea: «Il bello della nostra tecnica è che è un processo facile e non è necessario creare nuovi Led. Con qualche altro step possiamo fare un "cappotto" ed un laser pattern su un Led esistente».
Altri gruppi di ricerca avevano già studiato le strutture fotoniche delle lanterne delle lucciole ed avevano imitato alcune delle loro strutture per migliorare l'estrazione luce dai Led, ma si erano concentrati sulle caratteristiche a nanoscala. Il team guidato dall'università di Namur è il primo a identificare le caratteristiche fotoniche su scala micrometrica, che sono più grandi della lunghezza d'onda della luce visibile, ma che migliorano sorprendentemente l'estrazione della luce rispetto alle caratteristiche più piccole su scala nanometrica. Le scaglie/tegole che i ricercatori hanno testato aumentato estrazione luce di oltre il 50%, una percentuale significativamente superiore a quelli raggiunti fino ad ora con altri approcci di biomimetica. I ricercatori ipotizzano che, «Con modifiche realizzabili alle tecniche di produzione attuali, entro i prossimi anni, dovrebbe essere possibile applicare tali miglioramenti in design innovativi per l'attuale produzione di Led».
Le lucciole utilizzate come fonte di ispirazione per il nuovo e più efficace rivestimento Led appartengono al genere Photuris, comune in America Latina e negli Usa, ma Bay dice di aver esaminato anche e lanterne di una specie particolarmente resistente di lucciole che vive a Guadalupa che non hanno la struttura a tegole sullo strato esterno della cuticola ed assicura che insieme ai suoi colleghi continuerà ad «Esplorare la grande diversità del mondo naturale, alla ricerca di nuove fonti di conoscenza e di ispirazione. Le lucciole Photuris sono emettitrici di luce molto efficaci, ma sono abbastanza sicuro che ci sono altre specie che sono ancora più efficaci. Questo lavoro non è finito».