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米氏共振在超黑龙鱼皮肤色素颗粒中的重要性

摘要

深海龙鱼的超黑皮肤由微小的色素颗粒组成,它们能提供最佳的光线吸收,防止被发光的捕食者或猎物发现。这些色素颗粒的光吸收机制类似于通过米氏散射和共振提高太阳能电池效率的纳米光子方法。本研究利用时域有限差分(FDTD)模拟研究了龙鱼色素颗粒的Mie共振响应,以阐明龙鱼皮肤超黑的确切机理。椭球状色素颗粒比球形色素颗粒有更好的光吸收。色素颗粒还显示出向前散射,显示出含有色素的皮肤层重复光吸收的一个重要特征。虽然这项工作有助于更深入地理解龙鱼的超背部皮肤,这里提出的纳米光子机制可能是更一般的,并可以应用于光消光的光伏光管理设计和免疫检测。

简介

海蛾鱼(Idiacanthus antrostomus)生活在深海,它的吸水性极强——这是一种伪装战术,用来避免被捕食者或猎物通过生物发光发现。它的超黑皮肤最近被Davis等人研究(2020),并在层流层中发现由球状和椭球状的色素颗粒组成(Davis)2020).所述包埋皮肤介质具有与海水相同的折射率,以避免折射率边界,从而防止光学反射。一般来说,深海鱼类的色素或黑素小体的大小在400到800纳米之间,普遍的长径比在1.2到3之间,这使得它们大多是椭球形的(Riley)1997).有趣的是,龙鱼皮肤色素的方向是随机的(即,所有的方向都存在于皮肤不同层的每个深度)。

强的光吸收对太阳能电池也非常重要,近年来纳米光子技术已经被开发用于增强光吸收,特别是薄膜太阳能电池(Di Vece)2019;Giannakoudakis和Di Vece2017).一种有前途的技术是使用Mie散射体,这是一种具有高折射率的粒子或纳米结构,光可以在其中被捕获并泄漏到太阳能电池(Brongersma等人。2014;内德等。2017).在入射光波长大于或等于米氏波长的小粒子的光散射和吸收过程中观测到了米氏共振1908;Kerker1969).米氏散射增加了入射光的光路长度,导致了更高的光吸收概率。米氏光散射主要是前向散射,将光导向感兴趣的光伏区域(Wray和Atwater)2020;Tzarouchis和Sihvola2018).一种设计用于具有强衬底耦合米氏共振的二维周期亚波长硅纳米柱阵列被证明在从紫外到近红外的整个光谱范围内产生几乎为零的总反射率(Spinelli等人)。2012;卢卡雷利和曼2014).米氏纳米结构与光的强而多样的相互作用通过单晶硅制备的简单纳米结构的全介电彩色印刷来说明,其中通过调整纳米结构的物理尺寸实现了各种明亮的颜色反射(Nagasaki等人)。2017).米氏散射的进一步应用已经被探索,如将其用于光催化过程或与范德华材料结合(Xu2012;Cihan2018).

虽然Davis等人的工作通过时域有限差分(FDTD)方法模拟了龙鱼色素粒子组装的强光学吸收,但光与单个色素粒子的相互作用的详细研究仍未探索(Davis)2020).由于龙鱼色素颗粒的大小允许强大的Mie-like性质,这项工作通过FDTD模拟研究光与单一色素颗粒的相互作用,为龙鱼皮肤强光学吸收机制提供更深入的见解。除了为光伏光管理提供一种有趣的策略外,这项工作还可以应用于基于乳胶或金属颗粒(Coletta和Amendola)的光消光和荧光猝灭的免疫计量检测2021;安东尼奥et al。2018;布拉万,Amendola2020;张2019).

方法

利用商业软件(Lumerical Solutions Inc.)进行时域有限差分法(FDTD)模拟,在三维中求解时间分辨的麦克斯韦方程组,计算色素颗粒中的光学吸收。单个龙鱼色素颗粒被一个全场散射场(TFSF)平面波源照亮,沿z轴中心入射。背景折射率为1.33,等于龙鱼皮肤和海水的折射率。色素颗粒和背景组织的折射率来自Davis等人的工作(2020).模拟波长为1000 × 1000 × 100 nm3., 2000 × 2000 × 2000 nm3.、3000 × 3000 × 3000 nm3.分别模拟150 nm和450 nm的椭球和450 nm的球形色素颗粒,完美匹配层(PML)边界为12层。收集了50个线性间隔的频率点的数据。颗粒表面及周围的网箱尺寸在10 × 10 × 10 nm之间3.15 × 15 × 15 nm3.,根据颜料颗粒的大小,并通过收敛测试确定足够准确。

Davis等获得的龙鱼色素颗粒的大小分布。(2020),粒径在600 ~ 800 nm之间,基本为高斯分布(Davis2020).戴维斯等人(2020)也报道了粒子的长径比在1 ~ 3之间,主高斯峰在2附近,然后在2.5处有一个小峰。根据这些观测结果,本工作模拟了半径为150-、300-和450-nm(长轴)的三个椭球粒子,长宽比为1.5。这里只讨论150和450纳米的粒子,因为300纳米的粒子完全支持观察到的尺寸依赖的趋势。选择这些颗粒直径和纵横比来覆盖Davis等人报告的平均和极端颗粒尺寸(2020).本文的结果来自于对入射光电场沿x轴方向偏振光的模拟。对入射光的垂直(y轴)偏振也进行了模拟,得到了略有不同的结果;然而,对于x轴偏振的结论与此相同。光吸收是根据颜料粒子相对于入射光源的有效表面积,即光源平面(xy平面)的表面积来计算的。光吸收值大于1是由于电磁波也可以从色素粒子的侧面被吸收,这是由于光的波动性。

结果与讨论

为了了解颜料颗粒内部的光路径,在整个模拟时间内通过积分计算光吸收截面、电场强度和磁场强度。在无花果。1在300 nm波长入射光作用下,半径为150 nm的粒子截面在粒子底部有一个非常清晰的焦点。这个焦点导致了粒子内部吸收的增加和从底部向外的强电场。这种强烈的前向散射表明了米氏样的行为,这在米氏理论中是众所周知的(从麦克斯韦方程组的解的一系列近似推导而来)(Kerker1969).

图1
图1

在xz平面上300 nm(波长)的横切面通过颜料颗粒的中间,长轴半径为150 nm一个光学吸收,b积分电场(E2),c积分磁场(H2).高强度的光吸收,E2,和H2颜料颗粒下方显示强烈的前向散射

光循环在色素颗粒内的证据是由观察到的光吸收和电场强度的规律模式提供的。高强度区域表示同相波干涉,而较暗的区域表示相消干涉。这种干涉图样只有在部分光线反射到粒子内部时才可能出现。粒子中心较弱的光吸收和电场强度暗示了粒子周围和表面以下的光循环,被称为“耳语画廊模式”。磁场强度的横截面提供了位移电流环的证据,因为磁场分布与电场强度(Groep和Polman)明显不同2013).这些介质位移电流回路进一步表明光波在色素颗粒内的不同位置循环。

在半径为450 nm的较大颜料粒子中,300 nm波长的光的干涉图最大值和最小值大于半径为150 nm的粒子,如图所示。2.从光吸收、电场强度和磁场强度可以看出,大部分光位于颜料粒子表面以下,而粒子内部没有电磁能量。这再次表明,色素颗粒表面下有光的循环,可能是色素颗粒中心强烈的破坏性干涉的结果。图中450 nm以下的颜料颗粒电场强度较低。2摄氏度对于300 nm的光,是由于颜料颗粒对光的强吸收造成的,很少有光被透射或散射。这个450-nm的粒子在300 nm波长处的电场强度与150-nm的颜料粒子在300 nm波长处的电场强度相当,这意味着粒子的大小没有增加反射和后向散射。这一结果表明,并不是所有的色素颗粒都适合前向散射,这解释了这些色素颗粒在龙鱼皮肤中自然出现的尺寸和纵横比分布较大的原因。通过提供广泛的尺寸和纵横比,龙鱼互补了在特定波长表现出强吸收的粒子(较大的粒子)和具有强向前散射的粒子(较小的粒子),从而产生了整体最小的反射。此外,450纳米半径的色素颗粒吸收了大量的光,使米氏共振最小,这一事实可以解释生物样品色素颗粒中发现的上尺寸边界。与光干涉的性质一致,半径为450 nm的较大颜料粒子在658 nm波长处的横截面(图2)。3.)与300 nm波长下半径为150 nm的较小色素颗粒非常相似(图3)。1),因为干涉图样取决于粒子尺寸和光波长的比率。

图2
图2

在xz平面上300 nm(波长)的横切面通过颜料颗粒的中间,长轴半径为450 nm一个光学吸收,b积分电场(E2),c积分磁场(H2).高强度的光吸收,E2,和H2颜料颗粒的表面下显示了光的循环

图3
图3

xz平面658 nm(波长)的横切面通过颜料颗粒的中间,长轴半径为450 nm一个光学吸收,b积分电场(E2),c积分磁场(H2).高强度的光吸收,E2<和H2颜料颗粒下方显示强烈的前向散射。与图。1

椭球色素颗粒的光学吸收光谱如图所示。4作为光偏振和粒子旋转角度的函数。如前所述,光吸收值大于1是由于光的波动性导致从颜料颗粒侧面的光的吸收。由于色素分子的光学性质,其光吸收在小波长最强,而在大波长则明显减弱。对于150nm椭球形色素粒子,xz面旋转越大,通过较长的色素路径的光的整体光学吸收明显增加,增加了吸收概率(即透射光变少)。旋转对光吸收的影响在较短波长处表现得尤为明显,说明光学共振对其有较强的影响。尽管强度有变化,但150nm粒子的光学吸收曲线随旋转变化不明显。450纳米粒子的旋转引起了光学吸收值和曲线的显著变化。旋转角越大,光吸收强度越大,旋转角越大对应的是红移曲线。450 nm的颜料粒子在0°、45°和90°旋转时,分别在320-、338-和390 nm波长处表现出最大的光学吸收。值得注意的是,在300 nm波长周围90°旋转的光吸收比45°旋转的光吸收略有减少,这可能是由于90°旋转的Mie共振的存在,这是相当破坏性的。 In contrast, the optical absorption in the 45° rotated 150-nm particle around wavelengths of 300 nm had increased due to Mie resonances. Although the rotation in the xz-plane of the 450-nm ellipsoidal particles had a significant effect, the differences were likely not enough to have them aligned in the most favorable position in the dragonfish skin. Alternatively, the slight differences in optical absorption between the different orientations of the ellipsoidal pigment particles may average out to an overall stronger optical absorption across the entire visible spectrum. The light polarization did not have a significant effect on the optical absorption of the ellipsoidal pigment particles. The optical absorption of the 450-nm pigment particle as compared with the 150-nm pigment particle was much larger at longer wavelengths (3.2 times greater at 800 nm) than at shorter wavelengths (1.6 times greater at 350 nm). This is possibly due to Mie resonances which are present in the 450-nm particle but cannot be supported in the 150-nm particle at the longer wavelengths.

图4
图4

两种尺寸的椭球色素颗粒在xz平面三次旋转和两种相反极化下的光学吸收光谱。光线从垂直于z方向的xy平面入射,指向下方。对于450 nm的粒子,由于Mie共振的存在,旋转对吸收光谱有相当大的影响

一个450 nm球形粒子的电场z分量如图所示。5,展示了色素颗粒底面下的干扰存在,并清楚地说明了光循环。在这种情况下选择z分量是因为只显示在z方向(即与初始入射方向不同的方向)有电场分量的光。球形粒子的高对称性似乎有利于这种特殊的干涉图案。图中球形颜料粒子的光谱与椭球粒子的光谱进行了比较。5 b并显示出显著的差异。在150纳米的颜料粒子中,球形粒子在整个光谱中吸收了更多的光,特别是在更小的波长,吸收几乎是1.5倍。同样的趋势发生在450 nm的粒子,吸收最大值(370 nm)有额外的红移。球形粒子与椭球粒子的总体积比为2.25,球形粒子对每个色素分子的光吸收较少,这解释了龙鱼皮肤中以椭球粒子为主的色素分子的存在。从这一比较中可以清楚地看出,椭球色素颗粒是每个色素分子的最佳光吸收,因为它们的几何结构支持更多的米氏共振。有趣的是,米氏共振之所以可能,是因为色素分子吸收光的能力不强,所以光波有可能通过多个通道。

图5
图5

一个在xz平面上300 nm(波长)处通过半径为450 nm的球形颜料粒子的z分量的中间的截面对电场积分。建设性干涉图案是清晰可见的,并表明光在粒子内的循环。b椭球和球形颜料粒子的光学吸收光谱。虽然球形粒子的光吸收比椭球粒子大,但球形粒子与椭球粒子的总体积比为2.25,导致每个色素分子的光吸收比球形粒子少

结论

虽然单个色素粒子只吸收约10 - 20%的入射光(取决于波长),但米氏粒子的前向散射使后续的色素粒子层非常高效,导致整个可见光光谱的整体强光学吸收。由于米氏共振的存在,导致光在色素颗粒内循环,从而增加了光吸收概率,入射光被吸收的波长范围比仅基于色素分子的光吸收特性所可能的要宽得多。我们很容易得出这样的结论:大自然选择了龙鱼皮肤中色素颗粒的最佳大小,以确保在光学伪装的好处和其他生物特性之间存在米氏散射。此外,由于米氏共振,椭球状色素颗粒比球形色素颗粒吸收更多的光,这解释了龙鱼皮肤中以椭球状色素颗粒为主的原因。由于其他生物的色素颗粒具有相似的形状和大小,本文的分析可能是一个普遍现象。此外,本研究所提供的龙鱼皮肤色素粒子的理解,可为新概念太阳能电池的设计提供灵感,并为开发超黑材料提供见解。

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Lohia, I., Ahearn, S., Franjieh, J.。et al。米氏共振在超黑龙鱼皮肤色素颗粒中的重要性。J Nanopart Res23日,141(2021)。https://doi.org/10.1007/s11051-021-05272-8

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关键字

  • 米氏散射
  • 龙鱼
  • 颜料粒子
  • 伪装
  • 深海的鱼
  • 纳米光子学