Um método inspirado na natureza para modelar o reflexo da luz da pele de peixes prateados e outros organismos pode ser possível, de acordo com pesquisadores da Penn State.

Essa técnica pode ser aplicável ao desenvolvimento de melhores refletores de banda larga e filtros multi-espectrais personalizados para uma ampla variedade de aplicações, incluindo revestimentos óticos avançados para vidro, proteção a laser, sistemas de imagem infravermelha, sistemas de comunicação óptica e fotovoltaica, de acordo com Douglas Werner, John L. e Genevieve H. McCain Professor Catedrático de Engenharia Elétrica, Estado de Penn.

O modelo proposto também contribui para a compreensão das camadas reflexivas na pele de alguns organismos. As peles brilhantes de certos ribbonfish refletem a luz em uma ampla gama de comprimentos de onda, dando-lhes uma aparência metálica brilhante. A refletividade é o resultado de camadas empilhadas de compostos orgânicos cristalinos embutidos no citoplasma de sua pele. Alguns organismos com brilhos metálicos têm camadas que são empilhadas em um padrão regular, enquanto outros, incluindo o ribbonfish, têm padrões de empilhamento descritos como "caóticos" ou aleatórios. A equipe da Penn State determinou que o empilhamento não é completamente aleatório e desenvolveu algoritmos matemáticos para replicar esses padrões em materiais semicondutores.

"Estamos propondo um modelo que usa a geometria fractal para descrever as camadas na estrutura biológica dos peixes prateados, "diz Jeremy Bossard, pesquisador de pós-doutorado em engenharia elétrica, Estado de Penn. "Embora não estejamos tentando reproduzir a estrutura encontrada na natureza, o mesmo modelo pode orientar o design de dispositivos como espelhos de banda larga. "

Os fractais têm sido chamados de "geometria da natureza" porque podem ajudar a descrever os padrões irregulares, mas semelhantes a si mesmos, que ocorrem em objetos naturais, como galhos de árvores ramificados. Os pesquisadores usam um fractal unidimensional, conhecido como um fractal de barra Cantor, que é uma linha dividida por espaços ou lacunas. Normalmente, Os fractais de Cantor parecem ser muito regulares, mas quando mudanças aleatórias são introduzidas na geometria, surge um padrão mais complexo. O padrão se assemelha à estratificação de camadas reflexivas na pele do ribbonfish.

"Existe um padrão subjacente, mas há aleatoriedade embutida, "diz Bossard, "semelhante ao modo como as árvores vivas têm um padrão fractal geral, mas não crescem simetricamente."

Os pesquisadores então usam outro método computacional inspirado na natureza, chamado de algoritmo genético, que imita a evolução darwiniana para criar gerações sucessivas de padrões fractais a partir dos padrões pais. Ao longo de aproximadamente 100 gerações, os padrões convergem no melhor design para atender a todos os requisitos de destino.

Usando essas barras Cantor randômicas fractais e o algoritmo genético, os pesquisadores foram capazes de gerar matematicamente padrões visando funções ópticas nas faixas do infravermelho médio e infravermelho próximo, incluindo reflexão de banda larga. Eles propõem que a abordagem de design pode ser usada para desenvolver pilhas em nanoescala com espectros reflexivos personalizados. Os resultados da pesquisa são divulgados no dia 13 de janeiro, Edição de 2016 da Interface do Jornal da Royal Society em "Evoluindo superredes de Cantor de fractal aleatório para o infravermelho usando um algoritmo genético."

Lan Lin, um recente Ph.D. graduado em engenharia elétrica, também contribuiu com a obra e realizou a fabricação e caracterização dos materiais para o projeto.