Functionele en responsieve fotonische kristallen

Organismen kunnen een kleur vertonen via ofwel pigmenten, periodieke nanostructuren of een combinatie van beiden. Pigmenten krijgen hun kleur door de selectieve absorptie van gedeeltes van het zichtbaar licht spectrum terwijl structurele kleur afhankelijk is van de interactie tussen de periodieke nanostructuren en het zichtbaar licht. Fotonische kristallen zijn structuren die bestaan uit een periodieke afwisseling van materialen met een verschillende refractie index. Zij hebben een structurele kleur door hun fotonische band gap, een regio binnenin het kristal waar bepaalde lichtfrequenties niet doorheen het kristal kunnen propageren omwille van destructieve interferentie. Hun structurele kleur zal dus bepaald worden door de golflengtes waarvoor constructieve interferentie optreedt bij reflectie van het licht uit het kristal.

Doorheen deze thesis werden zowel biologische (periodieke nanostructuren van de rode Torynorrhina flammea kever) als synthetische (colloïdale fotonische kristallen) oorsprongen van structurele kleur onderzocht.

De elytra van de rode Torynorrhina flammea kever werden onderzocht voor en na een chemische behandeling d.m.v. lineaire en niet-lineaire optische technieken. Vorige studies behandelden enkel het bestuderen van insecten met lineaire optische technieken, maar de extra bestudering met niet-lineaire optische technieken biedt heel wat voordelen. Deze omvatten label-vrije observatie (directe informatie van het staal), sterk verminderde hoeveelheid lichtschade en fotobleaching (niet-vernietigende analyse), het verkrijgen van 3D afbeeldingen zonder achtergrond ruis (klein focaal volume) en een grotere doordringingsdiepte van het licht in het staal omwille van de infrarood aard van de gebruikte excitatie golflengtes. Door deze metingen werd het duidelijk dat de elytra van de behandelde en onbehandelde stalen geen tekenen vertonen van een-foton fluorescentie of tweede harmonische generatie, maar wel van multifoton fluorescentie. Er werd ook aangetoond dat de chemische behandeling een invloed heeft op zowel de kleur van de elytra, hun reflectie spectra als op de vervaltijden van de multifoton fluorescentie.

Colloïdale fotonische kristallen werden bestudeerd als de basis voor twee toepassingen, afhankelijk van de materialen geïnfiltreerd in hun interstitiële holtes. Deze twee toepassingen waren een herschrijfbaar colloïdaal fotonisch kristal papier, gecreëerd door de infiltratie van een PEGDA hydrogel, en de vergroting van het Faraday rotatie effect afhankelijk van de PBG golflengte positie door de infiltratie van een Faraday actief discotisch vloeibaar kristal.