Пір'я павича генерує лазерне випромінювання завдяки нанокавітатам

Дослідники зробили неочікуване відкриття, виявивши, що пір'я павича здатне генерувати лазерне випромінювання. Це перший випадок знаходження лазерної порожнини в тканинах тварин.

Яскраві кольори павичого пера не залежать від пігментів, а є прикладом структурного забарвлення. Матеріали з пігментним забарвленням поглинають певні довжини хвиль світла та відбивають інші. Структурне забарвлення виникає внаслідок фізичної взаємодії між світлом та наномасштабними структурами. В очних плямах хвостових пер наноскопічні стрижні меланіну, покриті кератином, утворюють високорегулярні та тонко розташовані масиви з повторюваними структурами масштабом сотень нанометрів, відбиваючи світло у передбачуваних райдужних візерунках.

У павичому пір'ї ці структури розташовані всередині тонких волокон, відомих як барбули. Ці періодичні утворення функціонують як природні фотонні кристали — матеріали, які дозволяють проходити певним довжинам хвиль світла, виключаючи інші.

Нове дослідження розпочалося з сміливого питання: чи можуть ці самі мікроструктури робити більше, ніж просто відбивати світло? Чи можуть вони за відповідних умов підсилювати його?

Для перевірки ідеї дослідники нанесли родамін 6G, барвник, який зазвичай використовується в лабораторних лазерах, на очні плями павичого пера. Науковці забарвлювали та висушували кожен зразок кілька разів, щоб барвник повністю проник у внутрішні структури. Потім вони імпульсно опромінювали забарвлені пера лазерним світлом довжиною 532 нанометри — зеленим, близьким до максимуму поглинання родаміну. І вони виявили щось надзвичайне.

З пер виходило лазерне світло: тонкі, яскраві спектральні лінії на 574 та 583 нанометрах у жовто-оранжевому діапазоні. Ці випромінювання були безпомилково вузькими, когерентними та залежними від накачування — три ознаки справжнього лазерного випромінювання, а не просто свічення звичайної флуоресценції.

Вчені спостерігали ті самі лазерні лінії в кожній частині очної плями пера, незалежно від кольору. Це не може бути збігом. «Це як кидати дві стосторонні кості та завжди отримувати ті самі два числа», сказав фізик Натан Досон, провідний автор дослідження.

Лазерне випромінювання іноді спостерігалося в біологічних матеріалах, але майже завжди як форма «випадкового лазерного випромінювання». Це ефект, що виникає, коли світло хаотично розсіюється через невпорядковані середовища. Випадкові лазери були зафіксовані в усьому — від пер папуг до людських тканин. Але їхні випромінювання непередбачувані, змінюючи довжину хвилі навіть при незначних змінах структури або освітлення.

Павичі пера не показали жодної такої випадковості. Незалежно від того, яку кольорову ділянку пера тестувала команда, виникали ті самі дві лазерні лінії на майже ідентичних довжинах хвиль. Результати були послідовними у кількох перах та кількох експериментальних прогонах.

Якби це були випадкові лазерні моди, ви б не бачили однакових піків щоразу. Послідовність означає, що існує високорегулярна структура зворотного зв'язку, яка виконує роботу.

Автори припускають, що крихітні, раніше неохарактеризовані структури — можливо, білкові гранули або нанорозмірні кератинові порожнини — утворюють резонансні порожнини, необхідні для лазерного випромінювання. Ці гіпотетичні резонатори, вбудовані в барбули пера, повинні бути надзвичайно послідовними за розміром та оптичними властивостями, щоб виробляти однорідні спектральні лінії, спостережувані в експериментах.

Справді, розрахунки свідчать, що дві основні лазерні лінії відповідали б порожнинам з оптичними довжинами приблизно 92−93 нанометри — крихітними навіть за біологічними стандартами. Галерейні моди, інше можливе пояснення, були виключені, оскільки такі моди потребують гладких, круглих геометрій, не знайдених у павичих перах. Випадкове розсіювання також було відкинуто через спектральну стабільність.

Яка еволюційна мета цієї вбудованої лазерної порожнини? Ймовірно, її немає. Немає доказів того, що павичі використовують ці лазерні властивості для комунікації або демонстрації. Це, ймовірно, просто побічний продукт способу будови їхнього пір'я.

Тим не менш, наслідки значні. Це відкриття може відкрити нове вікно в те, як регулярні структури розташовані в живих матеріалах. Вимірювання лазерного випромінювання може одного дня допомогти виявляти крихітні структурні особливості в клітинах, тканинах або навіть вірусах — скрізь, де можна застосувати барвник.

Біологічні лазери вже досліджуються для використання всередині тіла, в зображенні, діагностиці та цільовій терапії. Але імплантація штучних лазерних порожнин супроводжується ускладненнями. А що, якщо природа вже їх побудувала?

Це може бути першим кроком до повністю біосумісних лазерів. Такі структури можуть одного дня використовуватися як сенсори всередині тіла.

«Мені завжди подобається думати, що для багатьох технологічних досягнень, які приносять користь людям, якийсь організм десь уже розробив це через якийсь еволюційний процес», сказав Досон виданню Science Mag.

Результати дослідження опубліковані в журналі Scientific Reports.