Puede ser posible un método inspirado en la naturaleza para modelar el reflejo de la luz de la piel de peces plateados y otros organismos, según los investigadores de Penn State.

Tal técnica puede ser aplicable para desarrollar mejores reflectores de banda ancha y filtros multiespectrales personalizados para una amplia variedad de aplicaciones. incluyendo recubrimientos ópticos avanzados para vidrio, protección láser, sistemas de imágenes infrarrojas, sistemas de comunicación óptica y fotovoltaica, según Douglas Werner, John L. y Genevieve H. McCain Catedrático de Ingeniería Eléctrica, Penn State.

El modelo propuesto también contribuye a la comprensión de las capas reflectantes en la piel de algunos organismos. Las pieles brillantes de ciertos peces cinta reflejan la luz en una amplia gama de longitudes de onda, dándoles un aspecto metálico brillante. La reflectividad es el resultado de capas apiladas de compuestos orgánicos cristalinos incrustados en el citoplasma de su piel. Algunos organismos con brillo metálico tienen capas que se apilan en un patrón regular, mientras otros, incluido el pez cinta, tienen patrones de apilamiento descritos como "caóticos" o aleatorios. El equipo de Penn State determinó que el apilamiento no es completamente aleatorio y desarrolló algoritmos matemáticos para replicar esos patrones en materiales semiconductores.

"Estamos proponiendo un modelo que utiliza geometría fractal para describir las capas en la estructura biológica de los peces plateados, "dice Jeremy Bossard, investigador postdoctoral en ingeniería eléctrica, Penn State. "Si bien no intentamos reproducir la estructura que se encuentra en la naturaleza, el mismo modelo podría orientar el diseño de dispositivos como espejos de banda ancha ".

Los fractales han sido llamados la "geometría de la naturaleza" porque pueden ayudar a describir los patrones irregulares pero auto-similares que ocurren en objetos naturales como ramas de árboles ramificados. Los investigadores utilizan un fractal unidimensional, conocido como fractal de barra de Cantor, que es una línea dividida por espacios o huecos. Normalmente, Los fractales de Cantor parecen ser muy regulares, pero cuando se introducen cambios aleatorios en la geometría, surge un patrón más complejo. El patrón se asemeja a la superposición de capas reflectantes en la piel del pez cinta.

"Hay un patrón subyacente, pero hay aleatoriedad incorporada, "dice Bossard, "similar a la forma en que los árboles vivos tienen un patrón fractal general pero no crecen simétricamente".

Luego, los investigadores utilizan otro método computacional inspirado en la naturaleza llamado algoritmo genético que imita la evolución darwiniana para crear generaciones sucesivas de patrones fractales a partir de los patrones originales. Durante aproximadamente 100 generaciones, los patrones convergen en el mejor diseño para cumplir con todos los requisitos del objetivo.

Usando estas barras de Cantor aleatorias fractales y el algoritmo genético, los investigadores pudieron generar matemáticamente patrones dirigidos a funciones ópticas en los rangos del infrarrojo medio e infrarrojo cercano, incluida la reflexión de banda ancha. Proponen que el enfoque de diseño podría usarse para desarrollar pilas a nanoescala con espectros reflectantes personalizados. Los resultados de la investigación se informan en el 13 de enero de 2016 edición de la Revista de la interfaz de la Royal Society en "Evolución de superredes de Cantor fractales aleatorias para el infrarrojo utilizando un algoritmo genético".

Lan Lin, un doctorado reciente. Licenciado en Ingeniería Eléctrica, también contribuyó al trabajo y realizó la fabricación y caracterización de materiales para el proyecto.