אופטיקה בהשראת הטבע

אופטיקה, הענף המדעי שעוסק במניפולציה ובהבנה של אור, היא מענפי המדע הקדומים ביותר, והחלה את דרכה ביצירת עדשות במצרים העתיקה ובמסופוטמיה. כיום זהו תחום מפותח בפיזיקה, שיישומיו ההנדסיים נמצאים בליבן של טכנולוגיות רבות – מצלמות, סיבים אופטיים לתקשורת, לייזרים לרפואה ועוד. אך כמו בתחומים רבים, גם באופטיקה פלאי הטבע "משאירים אבק" לטכנולוגיה האנושית, ויכולים ללמד אותנו לא מעט על על ייצור רכיבים מתוחכמים וזעירים.

העין האנושית היא אומנם מכשיר אופטי מופלא, אך חוקרים רבים פנו דווקא לדוגמה אחרת, מעניינת ביותר – עיניהם של חרקים, כמו למשל הזבוב. לחרקים יש עיניים מורכבות, שכוללות אלפי עדשות המסודרות בתצורה של כדור פחוס, וכל אחת מהן מתפקדת כקולטן עצמאי. יתרונה של תצורה זו הוא זווית צפייה רחבה וקצב תגובה מהיר, אם כי כושר ההפרדה של עין כזו נמוך בהרבה מזה של העין האנושית: התמונה המתקבלת תיראה לנו מטושטשת ו"מפוקסלת". בשני העשורים האחרונים, חוקרים עמלים על חיקוי עיני חרקים במערכות אופטיות מלאכותיות. בעזרת טכנולוגיות ייצור מעולם המיקרואלקטרוניקה, חוקרים הצליחו להפיק מערך מסודר של עדשות זעירות מחומר פלסטי שמרכזות אור על מערך תואם של גלאי אור זעירים. שכבת הגלאים מונחת על גבי שבב גמיש, שכולל רכיבים המעבדים את האותות שמגיעים מהגלאים. ההתקן, שאורכו כ-6 מילימטרים, אומנם עדיין גדול פי עשרה מעין זבוב, אבל מהירות התגובה והרגישות שלו דומים לאלה של העין, והוא מסוגל לראות בזוויות של עד 180 מעלות. התקנים מסוג זה רלוונטיים מאוד, לדוגמה, בעבור התחום המשגשג של רחפנים זעירים. חיישנים כאלה, בעלי תגובה מהירה וזווית רחבה, נחוצים כדי לנווט היטב את הכלי הקטן והזריז הזה.

עדיין גדול יותר, אבל בעל מהירות תגובה ורגישות דומות. מערך עדשות המחקה עין זבוב | 2013 EPFL

צבעוניות של פרפר

מנגנוני חישת האור שבעיניים הם אומנם מרתקים, אך הם רק קבוצה אחת של מנגנונים אופטיים בטבע. בעלי חיים וצמחים מבצעים שלל מניפולציות באור כדי ליצור צבעים, למטרות הסוואה, חיזור וזיהוי. אחד המנגנונים המרתקים ליצירת צבעים בבעלי חיים מבוסס על מבנים מיקרוסקופיים הקרויים מבנים פוטוניים. אלה חומרים שמחזירים אור בצבעים מסוימים בגלל המבנה שלהם ולא בגלל ההרכב. מבנה פוטוני עשוי מחומרים שקופים, שבדרך כלל מעבירים אור, אך מסודר במבנה מיקרוסקופי תבניתי - לדוגמה, פרוסות דקות מאוד בשכבות. המיקרו-מבנה המיוחד גורם לחומרים השקופים להיראות צבעוניים, מסיבות שנסביר מיד. שיטה זו שונה מהשיטה הנפוצה יותר ליצירת צבעים בטבע, המבוססת על פיגמנטים (צִבְעָנִים) – חומרים בעלי מבנה כימי מסוים שמקנה להם את צבעם. מבנים פוטוניים אומנם נדירים יותר, אך יש בהם עניין רב, משום שהם קשיחים ועמידים, וצבעם עשוי להחזיק מעמד אלפי שנים, לעומת הפיגמנטים שצבעם דוהה.

אור השמש מורכב מכל צבעי הקשת, כאשר כל צבע הוא אור בעל אורך גל שונה. כאשר מעבירים את האור דרך מנסרה – כגון טיפת מים – שלל הצבעים מופרדים בהתאם לאורכי הגל שלהם. בשל המבנה המיקרוסקופי שלהם, מבנים פוטוניים מחזירים אור באורכי גל מסוימים ומפזרים אחרים, כך שאנו רואים אותם כבעלי צבע מסוים, בהתאם לאורך הגל המוחזר מהם. יש גם מבנים פוטוניים בעלי תכונה מעניינת – הצבע המוחזר תלוי בזווית בין המשטח לבין עין המתבונן (iridescence). כך נוצרים משטחים ססגוניים וזוהרים, כמו פניהן של בועות סבון.

מבנים פוטוניים ניתן למצוא, בין היתר, בפרפרים: הכנפיים של מינים רבים מכוסות בקשקשים זעירים העשויים מחומר בשם כיטין, שמצוי גם בשלדים החיצוניים של חרקים רבים נוספים. הקשקשים הם בעלי מבנה מיקרוסקופי עשיר, שכולל צלעות מצטלבות בגדלים שונים ובכמה שכבות, וביניהן שכבות של אוויר. הכיטין שקוף לאור, ובשילוב עם האוויר נוצר אפקט דומה לזה של טיפות המים שמייצרות את הקשת. אולם, בניגוד לטיפות המים, המבנה המיקרוסקופי המיוחד של הקשקשים גורם להחזרה יעילה של צבע אור מסוים ולבליעה של כל השאר, וכך הקשקש ייראה בצבע מסוים. באופן זה נוצרות על כנפי הפרפרים תבניות בצבעים ייחודיים. 

כיום חוקרים רותמים טכנולוגיות מתקדמות של ייצור והפקת חומרים כדי לחקות את תכונות הצבע המרהיבות של חרקים. מבנים פוטוניים סינתטיים יכולים לשמש במגוון יישומים – לדוגמה, כשיטה חדישה ליצירת צגים צבעוניים (למשל בעבור טלפונים חכמים), כאשר שדות חשמליים גורמים לשינוי הצבע. מבנים פוטוניים משמשים גם כאמצעי אבטחה למניעת זיוף של שטרות כסף – זהו הפס שמשנה את צבעו כאשר מסתכלים עליו מזוויות שונות.

המבנים הפוטוניים מקנים להם את הצבעים המבהיקים. צילום מיקרוסקופ של קשקשי כנף פרפר | SPL

לא מחזירים אור

דוגמה אחרונה של מנגנון אופטי בעל עניין רב היא מנגנונים נוגדי החזרה (אנטי-רפלקטיביים). מגוון יישומים טכנולוגיים, כמו למשל חיישנים וסיבים אופטיים, דורשים שליטה מדויקת בקרני האור, ולצרכים אלה נדרשים משטחים אופטיים שמחזירים כמה שפחות מהאור שפוגע בהם. זאת משום שהחזרות בלתי רצויות ממשטחים חלקים כמו זכוכית, כפי שקורה למשל כשאנחנו רואים השתקפות של עצמנו בחלון, עשויות להנמיך את יעילות ההתקן או אף לשבש את פעולתו. לפני כ-50 שנה, מצאו החוקרים כי בעיניים של עשים יש משטחים בעלי בליטות מחזוריות קטנות בגודל תת-מיקרוני – בדומה לאורך הגל של האור – וכתוצאה מכך הן מונעות את החזרת האור המתרחשת בדרך כלל ממשטחים חלקים (כפי שיעידו מרכיבי משקפיים רבים). תכונה זו מקטינה מאוד את כמות האור שמתפזר בכניסה לעין וכך מאפשרת לעיני העש לראות היטב גם בלילה, למרות אור הירח העמום. למשטחים אלה יתרון נוסף בכך שהם מונעים התעבות של טיפות מים על העין. לאחרונה חיקו חוקרים את מבנה עין העש, ויצרו יריעות פלסטיק דקות מכוסות תבנית של בליטות עדינות בשיטת דפוס מעולם הננוטכנולוגיה. השכבה הדקה מצמצמת את החזרת האור לפחות משני אחוזים, מונעת החזרות גם כאשר האור פוגע בשכבה בזווית גדולה, וניתן אף להדביקה כציפוי מונע החזרות. כך ניתן ליישם את המנגנון נוגד החזרת האור של עיני עש הלילה כדי לשפר את הקליטה של חיישני אור, תאים סולריים ומגוון התקנים אופטיים אחרים.

ללא החזרת אור, הוא רואה טוב יותר בלילה. עיניים של עש, תמונת תקריב | Shutterstoc, Muhammad Naaim

בשנים האחרונות, התחום החשוב של אופטיקה מקבל אפוא דחיפה רצינית מעולם הביולוגיה, כאשר מנגנונים אופטיים מתוחכמים ועדינים שהתפתחו ביצורים חיים במהלך מיליוני שנות אבולוציה מעניקים השראה למנגנונים ולמבנים אופטיים שמשרתים אותנו בחיי היומיום.