通过在化学上进行轻微的改变来雕刻光学微结构

　　2013年，哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院（SEAS）以及Wyss仿生工程研究所的材料科学家们生长了一大类的自组装晶体微结构。现在，工程与应用科学学院以及Wyss仿生研究所的应用数学家们开发出了一个理论框架以更好地理解和控制这些微观结构的制造。

　　这些研究人员联合在一起使用这个框架来生长复杂的光学微器件。

　　这项研究成果发表在了《科学》杂志上。

　　当涉及到多功能材料的制造时，大自然将人类远远的甩在了后面。

      海洋软体动物可以将光子结构嵌入到它们弯曲的壳内而不会影响壳的强度；深海海绵进化出光导纤维将光线导给与其共生的生物；而海蛇的骨骼上覆盖着镜头来将光线聚焦进体内，以在晚上“看到”周围的情况。在生长过程中，这些复杂的光学结构调整出微小的，定义良好的曲线和中空形状，以更好地引导和捕获光线。

　　在实验室中制造复杂的仿生形状往往需要花费很多的时间和成本。2013年的突破性进展是由Amy Smith Berylson材料科学与化学以及化学生物学荣誉教授，Wyss研究所的核心成员，材料科学家Joanna Aizenberg以及前博士后研究员Wim L. Noorduin领导的。这项研究使得研究人员能够通过简单地操纵烧杯中的化学梯度来在衬底上制造精致的花状结构。这些结构由碳酸盐和玻璃组成，形成一束薄薄的墙。

　　那个时候这项研究所缺乏的是对其中所涉及的机制的定量理解，而这会使我们能够对这些结构进行更精确的控制。

　　理论学家的进入。

　　受到用来解释凝固和结晶模式的理论的启发，Lola England de Valpine应用数学，物理以及有机和进化生物学荣誉教授L.Mahadevan，和博士后研究员C. Nadir Kaplan，开发出一套新的几何框架来解释了以前的沉积图案是怎么生长的，甚至还预测了新的结构。

　　Mahadevan同时也是Wyss研究所的核心成员。

　　在实验中，结构的形状可以通过改变形成该形状的溶液的pH值来控制。

　　“在高pH值下，这些结构会以一种平坦的方式生长，从而会得到一个扁平的形状，就像花瓶的一面，”该文章的共同作者Kaplan说，“而在低pH值下，结构开始弯曲，从而得到螺旋结构。”

　　当Kaplan用代表化学变化的数学参数来求解关于pH值的函数的方程时，他发现他可以重建出由Noorduin和Aizenberg开发的所有形状——并由此提出新的结构。

　　“一旦我们理解了这些结构的生长和形式，我们就可以量化它们；我们的目标是利用这个理论来得出一个方法，来从下而上地构建光学结构，”Kaplan说。

　　Kaplan和Noorduin一起生长谐振器，波导的分束器。

　　“当我们有了这个理论框架，我们就能够以实验的方式来展示相同的工艺，”Noorduin说，他是本文的共同第一作者。“我们不仅能够生长这些微观结构，而且我们还可以证明它们导光的能力。”

　　Noorduin现在是荷兰材料研究组织原子和分子物理学研究所（AMOLF）的一个小组的带头人。

　　“这种方法可能会提供一种可扩展的、廉价而精确的用来制造不能用自上而下的方式来制造的复杂三维微结构的策略，并且根据磁学、电子学或光学的应用的需求来对其进行剪裁，”Joanna Aizenberg说，他是该文章的共同作者。

　　“我们的理论表明，除了生长，碳酸盐-氧化硅结构也能够沿着薄壁的边缘进行弯曲，”该论文的资深作者Mahadevan说。“通常在传统的晶体例如生长中的雪花中，是没有这种额外的自由度的。这指向了一种新的矿化生长机制，而且因为该理论与规模是不相关的，因此它可能可以适应物理与生物系统中的其他几何约束的生长现象。”

　　接下来，这些研究人员希望模拟这些结构的群体是如何相互竞争以获得化学物质的，就像森林中的树木争夺阳光一样。

　　该文章的合著者还包括Ling Li，Roel Sadza和Laura Folkertsma。该研究由美国国家科学基金会，哈佛大学Kayli生物纳米科学与科技研究所以及哈佛大学材料科学与工程研究中心资助。