First of all, colour doesn't exist in the outside world:
it exists only in the minds of animals with eyes.
And we still don't fully understand
how our images of the world are put together.
But that's not an issue for nature.
Nature doesn't need to understand how things work;
it just gets on with inventing things through trial and error, random mutations.
Now I'm going to talk about how I came across these two facts,
and how they led me to a subject called biomimetics,
which is learning from nature,
taking inspiration from nature to effect our commercial products.
This all began about 20 years ago,
working on a group of animals called seed shrimps or ostracod crustaceans.
They are fairly obscure animals, about the size of a tomato seed,
not very well known, but very, very common in Australian waters.
They're well known to produce bioluminescent light.
They light up in the dark when there's no light to reflect,
and you can find them on beaches around Sydney at night,
as you can see in this image here.
That was well known,
but I've often quoted that my research began with a flash of green light,
green or blue light, and that's true.
When I was looking at some preserved ostracods under a microscope,
I moved them around and started to find flashes of blue and green light.
This wasn't known for ostracods, so I thought, "What's going on here?"
Also, when I videoed live animals during courtship,
they were using these iridescent flashes of light
as a courtship display to attract each other.
So, I decided to put some ostracods in electron microscopes
to find out what's going on.
Here you can see the images of a diffraction grating
on the surface of the hairs
that are splitting up white light into its component colours.
Diffraction gratings are well known in physics and in commerce.
They have a number of uses in technology.
But they weren't known in ostracods or animals in general.
Now, the interesting thing here is that,
because they were being used as a courtship display,
they had a function.
So they'd evolved to be very, very efficient.
Nature had been working on these over millions of years,
fine-tuning them to be optimal at doing their job.
Now I knew what I was looking for,
I thought, "Where else do diffraction gratings occur in nature?"
So I looked at all sorts of animals,
and found them in a range of things.
From worms, as you can see here,
and also on the claws of, in this case, a galatheid lobster.
You can see how the colour changes with change in direction.
These are the very bright, metallic-looking colours
that you find also in hummingbirds and beetles, for example.
These are physical structures just like bones.
So I thought, "Well, I wonder if it occurs in fossils too."
And in fact they did.
We started to look at fossils.
I found them in 45-million-year-old beetles
that came out of the rocks just looking like living beetles,
sparkling with all their metallic colours;
in 85-million-year-old ammonites as you can see here.
You can also see how light is reflecting
from the different layers in this reflector.
The layers, they're about 100th of a hair's width in size,
really, really tiny nanostructures, even.
The oldest were the Burgess Shale fossils,
508 million years old from the Cambrian period.
This got me thinking, "We can take colour back this far in time,
but how far can you go here?
When did colour first begin on earth?"
That led me to search for the very first eye that existed.
It turned out to be a trilobite that had this very first eye,
a type that you can see here.
You can see one of the ridges on one of the eyes, for example.
Really, really good eyes in fact,
they could produce image just as well as we can today.
But this animal lived 521 million years ago.
Before that there was no vision, so colour didn't matter.
There was really no such thing as colour, just wavelengths of light.
I looked at the animals that existed at that time.
The trilobite had really armoured parts, hard parts,
and it had a very modern lifestyle.
It moved very quickly,
and it had hard parts to tear animals apart.
It was a predator.
It could see animals around it.
But just before that, all the animals were soft bodied,
even the predecessor of the trilobite,
and they moved around very slowly on the seafloor just bumping into things.
They didn't really interact with each other very well.
They did have a light sensor.
The most sophisticated light sensor of the time
would have produced this image of the world.
This is the best way animals could have seen their environment
with such a sensor.
You can see the direction where light is coming from,
so you know where up and down is in the water column, for example.
But you can't find a friend or foe around you.
You can't identify all the other animals and see what there is.
Then perhaps the most dramatic event in the history of life happened.
One of those light sensors evolved lenses.
Suddenly an image was cast on the back of an eye,
the very first image on earth,
which would have looked something like this.
You can see all the other animals around you.
You can identify what's possibly prey.
Therefore, selection pressures, evolutionary pressures,
start acting on that animal to evolve swimming parts to get there,
a hard part to tear it apart,
and feed on all of those soft-bodied animals,
which are essentially chunks of protein waiting to be eaten.
It actually triggered the Cambrian explosion,
the Big Bang in evolution,
where all animals went from being soft bodied,
like worms and jellyfish,
into having the whole range of bodies that you see today,
the whole range of behaviours.
Life suddenly became complex.
Vision was introduced to the world, and it was here to stay.
Today, over 95% of animals have eyes,
and vision is the most powerful stimulus on earth.
Everywhere you go, you leave an image on a retina,
and, from then onwards, animals had to be adapted
and could at any time be caught by a predator.
Evolution has led to a design process
where trillions upon trillions of strands of DNA are mutating,
producing endless designs of new types of colours.
They've been working on this over millions of years,
hundreds of millions of years to produce optimal colours.
A designer in commerce would be lucky to get a year
to come up with a new colour.
So, why not just go to nature and see what they have to offer,
see if we can copy some of the things?
Even if we don't understand how the colours are produced,
that doesn't matter,
just simply copy those nanostructures that's there in nature,
then you will have the same colours.
After all, we're working towards the same goal:
the effect on the eye.
So let's go to industry now and ask:
"What type of colours would you like?"
"Would you like a very bright colour that lights up in the dark,
that even when there's no sunlight, you can produce light?"
For example in glow sticks,
or in certain applications in farmers' fields,
where, if a crop is attacked by a virus,
it lights up at night to tell the farmer where the attack is.
That's exactly what we're doing with bioluminescent chemicals.
Bioluminescence is where two chemicals interact in the presence of oxygen
and produce light as a by-product.
It's a very efficient light.
Almost all of the energy is converted into light,
very little heat, as opposed to light bulbs, for example.
Bioluminescence causes the light in fireflies or glow worms.
It's very common in the deep sea,
where over 90% of all animals produce bioluminescent lights.
Would industry like to have pigments, perhaps?
These are really common in nature, for example, in this milk snake here.
There's a pigment in this case that produces an orange effect.
So, what happens here is the molecule is struck by white light
with all the different colours or wavelengths.
Most of those wavelengths are eaten up and turned into heat,
but the energy remaining in those that aren't eaten up
is back-reflected or scattered out into the environment,
so you see those colours.
There's another way that nature can offer pigments to industry.
That's through chromatophores, or colour change cells.
These are cells that can expand or contract
and are filled with pigment.
When they expand,
they are large enough to be seen as a pixel,
and when they contract, they become invisible.
This is the way that chameleons change colour, or cuttlefish or squid.
You can imagine packing red, blue and green chromatophores together
and expanding and contracting those to produce any colour you want to.
Now I'm working with Georgia Tech
to try to produce colour change surfaces and materials,
which is great for camouflage colours, for example.
We could produce fluorescent colours for industry as well,
plenty of those around,
particularly in parrots, Australian parrots in particular.
These are head feathers from the sulphur-crested cockatoo
that fluoresce.
You'll see there's a picture there showing the yellow pigment
and then also showing the fluorescence only.
What's happening is that the fluorescence is also yellow
and is enhancing the effect of the yellow pigment.
I found that some yellow feathers are producing fluorescence
and others are not.
In fact, those that are used for courtship,
those in areas of the plumage used to attract a female,
they've got the fluorescent pigment.
So it's not just incidental of a yellow pigment.
Evolution has acted on this
to be very, very efficient at producing the yellow light.
Fluorescence results from an effect at the atomic level,
where white light comes in, including ultraviolet light.
Ultraviolet, which we don't see,
is eaten up and rejected again in a longer wavelength.
So some of the high energy that is contained in ultraviolet light
is used up when an electron jumps into an outer shell.
When the electron immediately drops down back to its original shell,
that energy is re-emitted, but a little is lost as heat,
so there's less energy,
which means a longer wavelength or yellow light, for example.
So we go from ultraviolet light, which we don't see,
to yellow light, which we do.
Now, this is my favourite subject,
this is structural colour, nature's nanotechnology, if you like.
These are physical structures made from completely transparent materials.
It's the architecture at the nanoscale
that's important in determining what colour is reflected,
or what type of light effect that you can see.
Here we have the spines of a sea mouse called Aphrodita
found around Sydney's beaches.
It's a strange-looking animal; it looks like a little iridescent mouse.
But it's a marine animal,
and it's covered in these iridescent spines.
If you cut through those spines,
you can see these tiny nanotubes
that form what's called a photonic crystal fibre.
Photonic crystals were only discovered in physics in the 1980s,
and they've since been used in all sorts of technological applications.
They're going to revolutionize computers in the future
with optical chips instead of electronic chips.
These types of photonic crystal fibres
are already used in the telecommunications industry.
But we've got designs in nature that aren't known in physics,
and we don't fully understand how it works in physics yet.
So, let's just copy what nature's got for now.
And in fact, I didn't find this one.
This was the first photonic crystal found in nature,
which I found in the year 2000.
But we'd have saved ourselves a lot of time
if we'd started looking at nature earlier.
Butterflies are really good examples of photonic crystals.
A butterfly's wing contains about a hundred thousand scales
overlapping like tiles on a roof.
Each of those scales are filled with nanostructures
that interact with light waves in various ways.
And you'll see by these next slides -
we've got electron micrographs showing the fine details on those scales,
again about 100th of a hair's width in size -
you'll see how those structures change
almost like the shape of a building can change,
but when it's on that nanoscale, around the wavelength of light in scale,
then they will change the colour effect.
So you can see these various architectures producing different colours,
and they can change the way that colour changes.
As you walk around these scales,
you can get a change in colour, or you can get constant colour,
you can get very bright scales, or you can get duller examples.
A good example of a photonic crystal is opal,
the gemstone opal as you can see in this top-left picture there.
Opal is filled with tiny nanospheres.
They're close-packed together.
Light rays come in
and bounce around inside this structure and interact with each other
to produce these iridescent colours.
But interestingly, I found opal, in 2005, in a weevil, an animal.
So, a living thing producing opal.
Well, opal does have lots of technological applications
such as it will appear in computer chips.
Industry makes it at high energy costs;
we need high temperatures and pressures.
But nature, animals, are doing this at room temperatures and pressures.
They're magically mixing together chemicals,
and out comes this perfect opal, using very, very low energy.
So, this is something we're trying to do at moment.
We're trying to image these scales in living weevils
to work out how they're making these devices,
and see if we can copy it and bring this process to industry.
Some optical devices in nature don't produce any colour at all.
In fact the opposite:
they prevent any kind of reflections,
all the light passes through a surface,
such as I found on the eye of this 45-million-year-old fly
preserved in amber.
This very fine structure you can just about see
in this electron micrograph, these very fine striations.
When I made this onto a perspex surface, as you can see in the bottom right,
in the centre there, you've got this structure,
and you can see how the reflections are being cut down.
It allows all the light to pass through instead of being reflected.
If you put this onto a glass window,
you'd no longer see reflections of yourself.
But put onto solar panels, we get a 10% increase in energy capture.
Now, several years ago,
I started to expand my interest in biomimetics, in optics or colour,
into other subjects,
such as looking at strong materials in beetles or mantis shrimps,
looking at glues that work underwater,
designs of buildings based on natural animals and plants,
and also air-conditioning systems, such as found in termite mounds,
to put into buildings,
which require very little power.
One thing that really grabbed me is water.
Just quickly, here's an example of a Namibian beetle,
where I found a structure
that collects water from desert fogs very, very efficiently.
It's now being put into air-conditioning systems
to extract the water out and to recycle.
But nature is telling us
that there's a whole airborne source of water to tap into,
which animals and plants are doing in deserts, for example.
That's what I'm working on now in collaboration with MIT,
and we hope to get the first devices out into Africa
to collect water for drinking and medicine quite soon.
So, unfortunately, I can't reveal exactly the plans that I have next.
We've got some very exciting things coming up, particularly next year,
but at least I've been able to give you an introduction to the subject
and say where it all began,
which was 520 million years ago.
Thank you very much.
(Applause)
Tout d'abord, la couleur n'existe pas dans le monde extérieur :
elle n'existe que dans l'esprit des animaux qui ont des yeux.
Nous ne comprenons toujours pas tout à fait comment nous assemblons les images.
Mais la nature s'en moque,
elle n'a pas besoin de comprendre ;
elle se contente d'inventer des choses par essais et erreurs,
par des mutations aléatoires.
Je vais vous parler de la façon dont j'ai découvert ces deux faits
et comment ils m'ont conduit à un sujet appelé biomimétisme,
qui consiste à apprendre de la nature,
à s'en inspirer pour réaliser des produits.
Tout cela a commencé il y a environ 20 ans,
en travaillant sur les benthiques à coque,
aussi appelés ostracodes.
Ils sont assez mystérieux, de la taille d'une graine de tomate,
peu connus, mais très, très communs dans les eaux australiennes.
Ils sont bien connus pour produire de la bioluminescence.
Ils brillent dans le noir alors qu'il n'y a pas de lumière à réfléchir,
et vous les trouvez sur les plages autour de Sydney la nuit,
comme vous pouvez le voir sur cette image ici.
C'était bien connu,
mais j'ai souvent dit que mes recherches ont commencé
par un éclair de lumière verte,
verte ou bleue, et c'est vrai.
Lorsque je regardais des ostracodes au microscope,
en les agitant, j'ai remarqué des éclairs de lumière bleue et verte.
Ce fait n'était pas connu pour les ostracodes, cela m'a donc intrigué.
De plus, lorsque j'ai filmé des animaux vivants pendant la parade nuptiale,
ils utilisaient ces flashs de lumière iridescents
pour s'attirer les uns les autres.
J'ai donc décidé d'en mettre sous un microscope électronique
pour voir ce qu'il se passait.
Ici, vous voyez les images d'un réseau de diffraction à la surface des poils
qui séparent la lumière blanche en ses couleurs constitutives.
Les réseaux de diffraction sont bien connus en physique et dans le commerce.
Ils ont de nombreuses utilisations en technologie.
Mais ils n'étaient pas connus chez les ostracodes ou les animaux en général.
Ce qui est intéressant ici, c'est que,
comme ils servaient à faire la cour, ils avaient une fonction.
Ils avaient donc évolué pour devenir très, très efficaces.
La nature y travaillait depuis des millions d'années,
les perfectionnant pour qu'ils fassent leur travail de manière optimale.
Comme je savais ce que je cherchais,
je me suis demandé où il y en avait d'autres.
J'ai regardé toutes sortes d'animaux,
et j'en ai trouvé plein.
Des vers, comme vous pouvez le voir ici,
et aussi sur les pinces, dans ce cas, d'un homard galathéide.
Vous voyez comment la couleur change avec le changement de direction :
des couleurs très vives, d'aspect métallique,
que l'on trouve aussi chez les colibris et les coléoptères, par exemple.
Ce sont des structures physiques, tout comme les os.
Je me suis alors demandé si cela se produisait aussi dans les fossiles.
Et c'est le cas.
Nous les avons étudiés.
J'en ai trouvé dans des coléoptères vieux de 45 millions d'années -
ils avaient l'air vivants, étincelants
avec leurs couleurs métalliques ;
dans des ammonites vieilles de 85 millions d'années comme vous pouvez le voir ici.
Vous voyez comment la lumière est réfléchie
par les couches de ce réflecteur.
Les couches, qui font environ un centième de la largeur d'un cheveu,
sont de véritables nanostructures.
Les plus anciennes sont les fossiles du Shale de Burgess,
vieux de 508 millions d'années, datant de la période cambrienne.
Je me suis dit :
« On peut tracer la couleur aussi loin dans le temps,
mais jusqu'où peut-on aller ?
Quand la couleur est-elle apparue sur Terre ? »
Cela m'a amené à chercher le tout premier œil.
Il s'est avéré que c'était un trilobite qui l'avait,
ce que vous pouvez voir ici.
Vous voyez l'une des crêtes sur l'un des yeux, par exemple.
De très, très bons yeux en fait,
qui produisaient des images aussi bien que nous.
Mais cet animal a vécu il y a 521 millions d'années.
Mais avant cela, la vision n'existait pas, la couleur n'avait donc pas d'utilité.
Il n'y avait pas vraiment de couleur, seulement des longueurs d'onde.
J'ai regardé les animaux qui existaient à cette époque.
Le trilobite avait des membres durs
et avait un style de vie très moderne.
Il se déplaçait très vite, il pouvait déchiqueter les animaux.
C'était un prédateur.
Il pouvait voir les animaux autour de lui.
Avant lui, tous les animaux avaient un corps mou,
même le prédécesseur du trilobite,
ils se déplaçaient lentement sur le fond marin en se cognant de ci de là.
Ils n'interagissaient pas vraiment bien entre eux.
Ils avaient un capteur de lumière.
Le capteur le plus sophistiqué de l'époque aurait produit cette image du monde.
Voici l'image que les animaux auraient eue de leur environnement avec un tel capteur.
Vous pouviez voir la direction d'où vient la lumière,
vous saviez où se trouve le haut et le bas dans la colonne d'eau.
Mais vous ne pouviez pas trouver un ami ou un ennemi autour de vous,
ni reconnaître d'autres animaux, ni savoir s'ils sont là.
Alors s'est produit l'événement
peut-être le plus spectaculaire de l'histoire de la vie.
L'un de ces capteurs de lumière a développé des lentilles.
Soudain, une image a été projetée à l'arrière d'un œil,
la toute première image sur Terre,
qui aurait pu ressembler à ça.
Vous voyez tous les animaux qui vous entourent.
Vous pouvez identifier les proies possibles.
Par conséquent, la pression évolutionnaire
commence à agir sur cet animal pour faire apparaître des nageoires,
un membre dur pour déchirer
et se nourrir de tous ces animaux au corps mou,
qui sont essentiellement des morceaux de protéines attendant d'être mangés.
Cela a déclenché l'explosion cambrienne,
le Big Bang de l'évolution,
où tous les animaux sont passés d'un corps mou,
comme les vers et les méduses,
à toute la gamme de corps que vous voyez aujourd'hui,
toute la gamme de comportements.
La vie est soudainement devenue complexe.
La vision a été introduite dans le monde, et elle allait y rester.
Aujourd'hui, plus de 95% des animaux ont des yeux,
et la vision est le stimulus le plus puissant.
Partout vous laissez une image sur une rétine,
et, à partir de là, les animaux ont dû s'adapter
et peuvent à tout moment être attrapés par un prédateur.
L'évolution a conduit à un processus de conception
où des milliards et des milliards de brins d'ADN mutent,
produisant des modèles innombrables de nouveaux types de couleurs.
Ils y travaillent depuis des millions d'années,
des centaines de millions d'années, pour produire des couleurs optimales.
Un designer serait heureux de disposer d'un an
pour créer une nouvelle couleur.
Allons simplement dans la nature voir ce qu'elle a à offrir,
voir si nous pouvons la copier ?
Même si nous ne comprenons pas comment les couleurs sont produites,
aucune importance,
il suffit de copier ces nanostructures qui existent dans la nature,
et vous aurez les mêmes couleurs.
Après tout, nous travaillons dans le même but :
l'effet sur l'œil.
Allons donc demander à l'industrie : quel type de couleurs souhaitez-vous ?
Souhaitez-vous une couleur très vive qui s'illumine dans l'obscurité,
afin que, même en l'absence de soleil, vous puissiez produire de la lumière ?
Par exemple, des bâtons lumineux,
ou certaines applications pour les agriculteurs,
où, si une culture est attaquée par un virus,
elle s'illumine la nuit pour indiquer où se trouve l'attaque.
C'est exactement ce qu'on fait avec les produits chimiques bioluminescents.
La bioluminescence est l'interaction de 2 produits chimiques en présence d'oxygène,
la lumière en étant un sous-produit.
C'est très efficace.
La quasi-totalité de l'énergie est convertie en lumière,
très peu de chaleur, contrairement aux ampoules électriques, par exemple.
La bioluminescence est à l'origine de la lumière des lucioles ou des vers luisants.
C'est courant sous la mer,
où plus de 9 % des animaux produisent de la lumière bioluminescente.
L'industrie a besoin de pigments ?
Ils sont très courants dans la nature, par exemple, chez cette couleuvre tachetée.
Elle a un pigment qui produit un effet orange.
Ici, la molécule est frappée par une lumière blanche
avec toutes ses longueurs d'onde.
La plupart sont absorbées et transformées en chaleur,
mais l'énergie restant dans celles qui ne sont pas absorbées
est réfléchie ou dispersée dans l'environnement,
donc vous voyez ces couleurs.
Il existe une autre façon de produire des pigments.
Il s'agit des chromatophores, ou cellules de changement de couleur.
Elles peuvent se dilater ou se contracter
et sont remplies de pigments.
Lorsqu'elles se dilatent, elles sont assez grandes pour être vues comme un pixel,
et lorsqu'elles se contractent, elles sont invisibles.
C'est ainsi que les caméléons, les seiches ou les calmars changent de couleur.
Imaginez rassembler des chromatophores rouges, bleus et verts,
les dilater et les contracter pour produire la couleur que vous voulez.
Je travaille maintenant avec Georgia Tech
pour produire des surfaces et des matériaux changeant de couleur,
très utiles pour le camouflage, par exemple.
Nous pourrions aussi produire des couleurs fluorescentes pour l'industrie,
il en existe beaucoup, en particulier chez les perroquets australiens.
Ce sont les plumes de la tête du cacatoès à huppe jaune
qui sont fluorescentes.
Vous voyez ici une photo montrant le pigment jaune
et dessous uniquement la fluorescence.
La fluorescence est également jaune
et renforce l'effet du pigment jaune.
J'ai découvert que certaines plumes jaunes produisent de la fluorescence
et d'autres pas.
Celles utilisées pour faire la cour -
des zones du plumage servent à attirer la femelle -
ont le pigment fluorescent.
Ce n'est pas qu'un hasard.
L'évolution a agi
pour être très, très efficace dans la production de la lumière jaune.
La fluorescence résulte d'un effet au niveau atomique,
où la lumière blanche entre en jeu, y compris la lumière ultraviolette.
L'ultraviolet, que nous ne voyons pas,
est absorbé et rejeté à nouveau dans une longueur d'onde plus grande.
Ainsi, une partie de la haute énergie contenue dans la lumière ultraviolette
est utilisée lorsqu'un électron saute dans une enveloppe extérieure.
Lorsque l'électron revient dans son enveloppe d'origine,
une partie est perdue en chaleur.
Il y a moins d'énergie, donc une longueur d'onde plus longue : la lumière jaune.
On passe donc de l'ultraviolet, qu'on ne voit pas, au jaune, qu'on voit.
C'est mon sujet préféré, la couleur structurelle.
La nanotechnologie de la nature en quelque sorte.
Ce sont des structures physiques faites de matériaux totalement transparents.
C'est l'architecture à l'échelle nanométrique
qui est importante pour déterminer quelle couleur est réfléchie
ou quel type d'effet de lumière vous pouvez voir.
Ici, nous avons les épines d'une annélide marine appelée Aphrodite
que l'on trouve sur des plages de Sydney.
C'est un animal à l'aspect étrange ; il ressemble à une petite souris irisée.
Mais c'est un animal marin ; il est couvert d'épines iridescentes.
Si vous en coupez une,
vous pouvez voir de minuscules nanotubes
qui forment ce qu'on appelle une fibre de cristal photonique.
Les cristaux photoniques ont été découverts en physique dans les années 80,
et ont été depuis utilisés dans toutes sortes d'applications.
Ils révolutionneront les ordinateurs du futur
avec des puces optiques au lieu de puces électroniques.
Ces types de fibres de cristaux photoniques
sont déjà utilisés dans l'industrie des télécommunications.
Il y a dans la nature des designs inconnus en physique,
dont nous ne comprenons pas le fonctionnement.
Alors copions ce que la nature nous offre pour l'instant.
Celui-ci, je ne l'ai pas trouvé.
C'est le premier cristal photonique trouvé dans la nature,
que j'ai trouvé en l'an 2000.
Mais nous aurions gagné beaucoup de temps si nous avions regardé la nature plus tôt.
Les papillons sont de très bons exemples de cristaux photoniques.
L'aile d'un papillon contient une centaine de milliers d'écailles
qui se chevauchent comme les tuiles d'un toit.
Chaque écaille est remplie de nanostructures
qui interagissent avec les ondes lumineuses de différentes manières.
Vous verrez sur les diapositives -
nous avons des micrographies électroniques montrant les détails de ces écailles,
dont la taille est un 100e de la largeur d'un cheveu -
vous verrez comment ces structures changent
presque comme la forme d'un bâtiment peut changer,
mais à une échelle nanométrique,
elles changent la longueur d'onde de la lumière,
et donc, l'effet de couleur.
Vous voyez ces architectures produire des couleurs différentes,
et elles peuvent aussi changer la façon dont la couleur varie.
Lorsqu'on observe ces écailles,
on obtient une couleur changeante ou constante,
des écailles très lumineuses, ou des plus ternes.
Un bon exemple de cristal photonique est l'opale,
la pierre précieuse, comme vous pouvez le voir sur cette image en haut à gauche.
L'opale est remplie de minuscules nanosphères,
très proches les unes des autres.
Les rayons lumineux rebondissent à l'intérieur et interagissent entre eux
pour produire ces couleurs iridescentes.
En 2005, j'ai trouvé de l'opale dans un charançon,
Un animal, donc un être vivant, qui produit de l'opale.
L'opale a de nombreuses applications technologiques
dont les puces informatiques.
L'industrie la produit à des coûts énergétiques élevés
liés aux fortes températures et pressions.
Mais la nature, les animaux, le font à température et à pression ambiantes.
Ils mélangent comme par magie des produits chimiques pour produire cette opale,
utilisant très peu d'énergie.
C'est ce qu'on essaye de faire.
Nous essayons d'observer ces écailles dans des charançons vivants
pour comprendre comment ils fabriquent ces opales,
et voir si nous pouvons le copier et apporter ce processus à l'industrie.
Certains objets dans la nature ne produisent aucune couleur.
Au contraire,
ils empêchent toute sorte de réflexion,
toute la lumière passe à travers une surface,
comme celle trouvée sur l'œil de cette mouche de 45 millions d'années
conservée dans l'ambre.
Cette structure très fine que vous pouvez voir
dans ce micrographe électronique, ces très fines stries.
Quand j'ai fait cela sur une surface en perspex, ici en bas à droite,
au centre, vous avez cette structure,
et vous pouvez voir comment les réflexions sont réduites.
Cela permet à la lumière de passer à travers au lieu d'être réfléchie.
Si vous mettiez cela sur une vitre,
vous ne verriez plus votre propre reflet.
Mais sur des panneaux solaires,
on obtient une augmentation de 10 % de l'énergie captée.
Il y a des années,
j'ai étendu mon intérêt pour le biomimétisme, l'optique ou la couleur,
à d'autres sujets,
comme l'étude des matériaux résistants
chez les scarabées ou les squilles multicolores,
l'étude des colles qui fonctionnent sous l'eau,
la conception de bâtiments basée sur des animaux et des plantes,
et les systèmes de climatisation, comme dans les termitières,
à mettre dans les bâtiments, qui nécessitent très peu d'énergie.
L'une des choses qui m'a vraiment interpellé, c'est l'eau.
Rapidement, voici l'exemple d'un scarabée namibien,
où j'ai trouvé une structure qui collecte l'eau du brouillard
de manière très efficace.
Cela sert dans des systèmes de climatisation
pour extraire l'eau et la recycler.
La nature nous dit qu'il y a une source en suspension dans l'air à exploiter,
ce que font les animaux et les plantes dans les déserts.
C'est ce à quoi je travaille actuellement en collaboration avec le MIT,
et nous espérons faire bientôt parvenir en Afrique les premiers appareils
permettant de collecter de l'eau pour la boisson et les médicaments.
Je ne peux malheureusement pas vous révéler les projets que j'ai en tête.
Nous en avons de très intéressants l'année prochaine,
mais au moins, j'ai pu vous présenter le sujet
et vous dire où tout a commencé,
il y a 52 millions d'années.
Merci beaucoup.
(Applaudissements)
そもそも 外の世界に 色は存在しません
色は目のある生物の 心の中にだけ存在するものです
そして外界の映像が
どう作り上げられるのか まだ十分には分かっていませんが
自然からすれば問題ではありません
自然は物事の仕組みを 理解する必要がありません
ただ試行錯誤やランダムな変異によって 物事を発明し続けているのです
どうやってこれらの２つの事実に気づき
バイオミメティクス（生体模倣）を 研究するようになったかお話しします
自然から学び 着想を得て 産業に応用する分野の研究です
20年前にきっかけとなったのは
ウミホタル あるいは貝虫と呼ばれる生物を 研究していたときのことです
トマトの種ほどの大きさの目立たない 生き物で あまり知られていませんが
オーストラリアの海岸では とてもありふれています
また 生物発光によっても知られています
反射できる光が無い闇の中で 光を発するのです
シドニー近辺の海岸でも夜には見つかります
この写真のような感じです
ここまでは良く知られていました
私の研究は緑の閃光とともに始まったという 話をよくしています
緑ないし青色の光です
保存してあったウミホタルを顕微鏡で 観察していたときに
私が試料をつつきまわすと 青や緑の光が見えたのです
ウミホタルでは未知のことだったので 何が起きているんだろうと思いました
それから生きたウミホタルの求愛を ビデオ撮影していると
この虹色の発光を利用して
相手を惹きつけていました
そこで どうなっているのか調べるために
ウミホタルを電子顕微鏡で 観察してみました
この写真が触角の表面に見られる 回折格子です
白色の光から それを構成する色を分離することができます
回折格子は物理の分野や 産業界でよく目にするものです
工学的にさまざまに用いられます
しかしウミホタルや動物一般では 知られていませんでした
ここで面白いことは
これが求愛のための ディスプレイに用いられるという点です
ある機能を有しているので
進化の結果 極めて効率的になりました
自然が何百万年もこの進化に携わり
最適に働くよう 微調整を加えてきました
私は自分が何を探しているのか 分かりました
自然界で他のどこに 回折格子はあるのだろうと考え
あらゆる種類の動物を調べたところ
様々な種類で見つかりました
ここに示すような蠕虫（ぜんちゅう）や
節足動物 ―コシオリエビ科の ロブスターのはさみも
見る方向ごとに違った色を呈します
鮮やかで金属光沢のある色で
ハチドリや甲虫類も同じ色を示します
これは骨のような構造をしています
そこで化石の中にも 見つかるのではないかと考えました
そして確かにありました
化石を調べてみると
4500万年前の 石から出てきた甲虫は
あたかも生きているかのような
金属的な光沢を示しました
ここに示した8500万年前の アンモナイトもそうです
ご覧のように層状の反射体から
光が反射するのです
それぞれの層は髪の毛の 100分の１ほどの厚みで
極めて微細なナノ構造にすぎません
もっとも古いものはバージェス頁岩の化石で
５億８百万年前のカンブリア紀の化石です
そこでこんなことを考えました 色の歴史をここまで辿れたが
どれほど昔まで遡ることができるのだろう
地球上で色が登場したのはいつなのか
こうして 最初に誕生した眼を 探すことにしました
そして ある種の三葉虫が まさに初期の眼を持っていたことがわかりました
ここに示すような種類です
この尾根状の形態の一つが 眼の上を通っています
実際かなり良い眼で
今の我々と同じように像を結ぶことができます
ただこの生物は５億2100万年前に 生きていたものです
それ以前には視覚は存在せず 色は意味がありませんでした
色などというものはなく 光の波長だけがありました
その時代に生きていた生物を見てみると
三葉虫は固い殻で武装しており
非常に進んだスタイルの生き物でした
素早く移動し
生物を切り裂く固い武器を 備えていました
捕食者だったのです
周りの生物を見ることができました
これより少し前までは すべての生物の体はやわらかく
三葉虫の祖先もやわらかい生き物でした
全ての生物は海底をゆっくりと動き回り 周囲にはぶつかるだけでした
反応しあうことは たいして起こりません
光センサーはありましたが
その当時のもっとも進んだ光センサーで 捉えた映像も
こんな様子だったでしょう
当時のセンサーで環境を眺めたら 良くてこの程度です
光がどちらの方向からやってくるか わかるので
水中でどちらが上でどちらが下かぐらいは わかります
しかし身の回りの敵も味方もわかりません
他の生物を特定することはできず 何がいるかも分かりません
そして 生命の歴史上 最も劇的な出来事が起きたのでしょう
光センサーが進化してレンズを獲得したのです
像が眼底に投影されるようになりました
地球で初めての像です
こんな世界が見えたのでしょう
周りの生物が全て見えます
餌になりそうな生物を見分けられます
すると 選択圧つまり淘汰圧が その動物にはたらいて
行きたいところへ泳げるような運動器官や
餌を食いちぎるための固い器官を獲得し
体の柔らかい動物を全て 餌とするようになります
要するに食べられるのを待っている タンパク質の塊というわけです
このことがカンブリア紀の生物大爆発という
進化のビッグバンを促し
ここであらゆる生物が 蠕虫やクラゲのような軟体から進化して
今 目にするような 様々な体を持ち
様々な行動をするようになりました
生命は突然複雑になりました
世界に視覚が与えられ それは今も残っています
今では 95%の動物が目を持っています
視覚は地上で最も強力な刺激です
どこに行っても そのイメージを網膜に写し取ります
そうなると 動物は適応しなければなりません
いつ何時でも捕食者に捕らえられる 可能性が出てきたのです
進化によるデザインプロセスは
何兆ものDNAの鎖の変異の中から
無限の組み合わせを試して 新しい色を作り出してきました
何百万年もかけた取り組みです
何億年もかけて最適な色を作り出してきました
産業的な設計だったら 新しい色を開発するのに
１年もあれば恵まれています
それなら 自然界を探して 何かコピーできるものがあるかどうか
見てみようじゃないですか
その色が生じる仕組みが分からなくても
それは問題ではありません
自然の中にあるナノ構造を ただ模倣すれば良いのです
そうすれば同じ色が手に入るでしょう
結局 どちらも目指すゴールは同じです
視覚に及ぼす効果です
まず 産業の面から考えてみましょう
どんな種類の色がお望みでしょうか
暗いところでも鮮やかに目立つ色で
陽の光が無くても光を生じるタイプは いかがですか
例えばケミカルライトとして
あるいは農業分野での応用もあります
作物がウイルスに感染すると 夜になって光を放ち
どこが感染しているかを 農家に伝えることができます
私たちが生体発光の材料で 取り組んでいることです
生体発光では２種類の化学物質が 有酸素の条件で相互作用して
その際の副産物として光を生じます
これは大変効率的な光です
ほとんどすべてのエネルギーが光に変換され
たとえば白熱電球と違って 熱はほとんど生じません
生物発光はホタルなど発光性の生物が 光を出す仕組みです
深海ではありふれた現象で
深海生物の90パーセント以上は 生物発光をします
産業界は色素を求めているでしょうか？
これは自然界ではありふれたもので たとえばこのミルクスネークにも色素があります
この場合にはオレンジ色の色素です
ここで何が起きているかというと あらゆる波長の光を含む白色光が
色素分子にあたります
大半の波長は吸収されて熱に変換されますが
吸収されなかった残りのエネルギーが
逆向きの反射や散乱によって 周りに放出されます
その色が見えるわけです
また自然が産業界に色素を提供する 別の方法もあります
それは色素胞あるいは色素細胞と 呼ばれるものです
これは拡大したり縮小したりできる細胞で
色素をたくさん含んでいます
これが広がると
画素として見えるほど大きくなり
これが縮むと 見えなくなります
カメレオンやコウイカなどイカの仲間が 色を変える仕組みです
赤や青や緑の色素胞を並べて
これを拡張させたり縮小させたりすれば どんな所望の色でも作れるでしょう
今 ジョージア工科大と共同で
色変化をする表面と材料を研究しています
例えば迷彩色として役立つでしょう
また多く見つかる蛍光色素も
産業界に提供できるでしょう
例えばオーストラリアのインコの 蛍光色素を見てみましょう
こちらはキバタンの冠羽で蛍光を発します
黄色の色素を示した写真と 蛍光だけを示した写真です
どういうことかというと 蛍光もまた黄色で
黄色の色素の効果を増強しているのです
蛍光を示す羽根と示さない羽根とが あることがわかりました
求愛行動で使われる羽根
つまり羽根飾りの部分で メスにアピールするのですが
この羽根には蛍光色素があります
つまり偶然によって 黄色の蛍光を発するのではありません
ここには進化がはたらいていて
極めて効率良く黄色の光を 発するようになっているのです
蛍光は原子レベルの機構によるもので
紫外線を含んだ白色光が来たときに生じます
紫外線は目に見えませんが
色素分子に吸収されて 長い波長の光が返ってくるのです
紫外線の持っている 大きなエネルギーの一部を使って
電子は より外側の軌道に移ります
すぐに電子は元の軌道に落ちてきますが
そのときにエネルギーを光として放射します
一部は熱として失われるので エネルギーは小さくなり
波長の長い光 例えば黄色の光が出てきます
目に見えない紫外線から
目に見える黄色の光になるのです
さて 次は私の好きなテーマの 構造色です
自然のナノテクノロジーと 言ってもよいでしょう
これは完全に透明な物質で作られた 物理的な構造です
ナノスケールの構造が重要で
これでどんな色が反射されるか
あるいはどんな光の効果が生じるかが 決まります
これはシドニーの海辺で見つかる
コガネウロコムシのトゲです
奇妙な恰好の動物で 小さな虹色のマウスにも見えます
しかしこれは海の生き物で
虹色のトゲに覆われています
このトゲの断面を見ると
これらのナノチューブが
フォトニック結晶の線維と なっていることが分かります
物理の分野でフォトニック結晶が 発見されたのは1980年代ですが
それ以来 さまざまな技術に応用されてきました
未来のコンピューターは 電子素子の代わりに
光素子を使って 革命をもたらすことでしょう
このタイプのフォトニック結晶は すでに通信産業で使われています
しかし自然が行ったデザインには 物理学で未知のものがあり
どういう仕組みか その物理が完全にはわかっていません
とりあえず 自然が作った物を真似すれば良いのです
これは私が見つけたのではありません
自然界で見つかった最初のフォトニック結晶は
私が2000年に見つけました
もしもっと早くから自然界を 調べ始めていたら
ずいぶんと時間を節約できたかもしれません
蝶もフォトニック結晶の良い例です
蝶の羽根には10万枚もの鱗粉が
屋根の瓦のように並んでいます
それぞれの鱗粉はナノ構造でできていて
光の波とさまざまな相互作用を示します
スライドでは
この鱗粉の詳細を捉えた 電子顕微鏡の画像をお見せします
これもまた 髪の毛の100分の1サイズです
これらの構造の多様性は
建物の形のように多種多様です
光の波長程度のサイズの ナノスケールの構造によって
光学的な効果が変わります
さまざまな構造体によって 別の色を生じたり
その色の変化の仕方が違ったりします
この鱗粉を違った角度から見ると
色が変化する構造も 一定の色が見える構造もあります
彩度の高い鱗粉も 濁った色の鱗粉もあります
フォトニック結晶の良い例はオパールです
左上の写真は宝石のオパールです
オパールにはナノサイズの球体が 詰まっています
ぎっしりと詰まっています
入ってきた光線は
この構造の中であちこちで反射し 互いに作用して
虹色の光を生み出します
2005年には 面白いことに ゾウムシでオパール構造を見つけました
生物がオパールを作るのです
オパールも多くの応用技術で使われます
例えばコンピューターの素子です
工業的にはエネルギーを たくさん費やして製造します
高温と高圧が必要なのです
しかし自然界の動物は 室温と常圧でこれを作っています
魔法のように化学材料を混ぜ合わせると
とてもわずかなエネルギー消費で この完璧なオパール構造ができるのです
今私たちもこれを目指しています
生きたゾウムシの鱗粉を観察して
この素子がどうやって作られるのか
そしてその仕組みをまねて 工業的に使えないか 研究しています
また自然の光学素子の中には まったく色を生じないものもあります
それどころか あらゆる反射を防ぎ
全ての光が表面を透過するようにします
この琥珀の中から見つかった 4500万年前のハエの眼の構造がそうです
電子顕微鏡で捉えた微細構造は
写真で見えるか見えないかの 非常に細い縞模様です
この構造を右下の写真のように アクリル樹脂の表面に作りました
中央部には この構造が作られているのです
反射が低減していることがわかります
光が反射されないで すべて透過するのです
これでガラス窓を処理すれば
自分の姿が写り込んだりしません
また太陽電池パネルを処理すれば エネルギー効率が10パーセント向上します
さて数年前に
生体模倣分野の狙いを 光学や色だけでなく
他の分野に広げ始めました
甲虫やシャコ類の持つ強い材料
水中でも機能する接着剤とか
自然の動物や植物に基づいた建物
アリ塚に見られるような ほとんどエネルギーの要らない空調システムは
ビルで使えます
水の問題も私を捕らえました
手短に話します
例えばナミブ砂漠の 甲虫（サカダチゴミムシダマシ）は
砂漠の霧から水を集める実に効率的な構造を 持っていることを見つけました
この構造は空調機に用いられ
水分を取り出してリサイクルするために 使われています
自然が教えてくれたことは
空中の水という水源があり
砂漠の動物や植物は それを利用しているということです
この技術については MIT と共同研究しており
もうじき最初の装置をアフリカに届けて
飲料水や医療用の水を 集められるようになるでしょう
残念ながら今後の計画について 詳細をお話しすることはできませんが
来年には 大変おもしろいものが 登場するはずです
この研究分野についてご紹介してきました
全ての始まりは と言えば
５億２千万年前のできごとだったのです
ありがとうございました
（拍手）
Прежде всего, цвет не существует в окружающем мире,
он существует только в сознании живых существ с глазами.
И мы всё ещё не до конца понимаем,
как формируются наши образы мира.
Но для природы это несущественно.
Природе не нужно понимать, как всё устроено,
она просто изобретает всё методом проб и ошибок, случайных мутаций.
Сейчас я хочу рассказать, как я обнаружил эти два факта
и как они привели меня к науке, которая называется биомиметика,
которая учится у природы
и черпает из неё вдохновение для создания наших коммерческих продуктов.
Всё это началось около 20 лет назад
с изучения группы существ под названием ракушковые ракообразные или остракоды.
Это неприметные живые существа размером с семечко помидора,
не очень изученные, но весьма распространённые в водах Австралии.
Они хорошо известны своей способностью производить биолюминесцентный свет.
Они светятся в темноте без света, который можно отражать,
и вы можете обнаружить их ночью на пляжах возле Сиднея,
как видно на этом фото.
Это было хорошо известно,
но, как я часто говорю, моё исследование началось со вспышки зелёного света,
зелёного или синего, и это именно так.
Когда я наблюдал под микроскопом некоторых сохранившихся остракод,
я их передвигал и обнаружил вспышки голубого и зелёного свечения.
Это раньше не было известно об остракодах, и я подумал: «Что происходит?»
Также, когда я снимал этих животных во время размножения на видео,
они использовали радужные вспышки света
в ритуале ухаживания, чтобы привлечь друг друга.
Тогда я решил поместить несколько остракод под электронный микроскоп,
чтобы понять, что происходит.
Здесь вы можете увидеть изображения дифракционной решётки
на поверхности ворсинок,
которые разделяют белый свет на составляющие его цвета.
Дифракционные решётки хорошо известны в физике и коммерции.
Они широко используются в технике.
Но они были неизвестны у остракод или вообще живых существ.
Интересным оказалось то,
что раз они использовались в ритуале ухаживания,
у них было назначение.
И они эволюционировали, чтобы стать очень эффективными.
Природа работала над ними миллионы лет,
настраивая их так, чтобы они оптимально выполняли свою работу.
Когда я понял, что должен искать,
я подумал: «Где ещё в природе бывают дифракционные решётки?»
Я перебрал все виды живых существ
и обнаружил их в ряде случаев
у червей, как вы можете видеть здесь,
а также, в данном случае, на клешнях рака-прыгуна.
Можно увидеть, как меняется цвет при изменении направления.
Это очень яркие, металлические цвета,
которые также можно наблюдать, например, у колибри и жуков.
Это физические структуры, такие же как кости.
Тогда я подумал: «Интересно, происходит ли это и у ископаемых?»
И это оказалось именно так.
Мы начали изучать ископаемых.
Я обнаружил их у жуков возрастом в 45 миллионов лет,
которые были найдены в скалах и выглядели как живые жуки,
сверкающие всеми металлическими цветами;
в аммонитах возрастом в 85 миллионов лет, как можно увидеть здесь.
Здесь также видно, как отражается свет
в этом рефлекторе от различных слоёв.
Размер этих слоёв составляет примерно одну сотую толщины волоса,
реально равный крошечным наноструктурам.
Самыми древними были ископаемые горной фармации Сланцы Бёрджес
возрастом в 508 миллионов лет из Кембрийского периода.
Это заставило меня задуматься: «Можно проследить цвет так далеко в прошлое,
но как далеко мы можем зайти?
Когда впервые появился цвет на Земле?»
Это привело меня к поиску самого первого в природе глаза.
Оказалось, что самым первым был глаз у трилобита,
вы можете видеть его здесь.
Вы можете, например, увидеть складку на одном из глаз,
действительно хороших глаз,
они могли создавать изображение так же, как мы сегодня.
Но это существо жило 521 миллион лет назад.
До этого зрения не существовало, поэтому цвет не имел значения.
На самом деле не было такой вещи как цвет, только длины волн света.
Я рассматривал животных, существовавших в то время.
Трилобит действительно состоял из очень твёрдых, крепких частей
и вёл вполне современный образ жизни.
Он двигался очень быстро
и имел жёсткие части, чтобы рвать животных.
Он был хищником.
Он мог видеть живых существ вокруг себя.
Но незадолго до этого все животные были мягкотелыми,
даже предшественник трилобита,
и они очень медленно передвигались по морскому дну, лишь натыкаясь на вещи.
Они практически мало взаимодействовали друг с другом.
Вообще у них был световой сенсор.
Но самый сложный световой сенсор того времени
мог создавать вот такое изображение мира.
Это самое лучшее, что могли видеть животные в окружающей их среде
с таким сенсором.
Вы можете видеть направление, откуда исходит свет,
и знаете, где находится верх, а где — низ в толще воды, например.
Но обнаружить друга или врага возле себя невозможно.
Вы не можете идентифицировать всех животных и увидеть, кто там.
Возможно, тогда произошло наиболее впечатляющее событие в истории жизни.
В одном из таких световых сенсоров появились линзы.
Внезапно на заднюю часть глаза спроецировалась картинка,
самая первая картинка в мире,
которая могла бы выглядеть примерно так.
Вы можете увидеть всех других существ вокруг себя.
Вы можете распознать добычу.
Таким образом давление селекции, давление эволюции
стало образовывать у них органы плавания, чтобы добраться до жертвы,
твёрдую часть, чтобы разрывать её,
и питаться всеми этими мягкотелыми животными,
которые по существу являются кусочками протеина, ждущими съедения.
И это фактически вызвало Кембрийский взрыв,
«Большой взрыв» эволюции,
когда все животные перестали быть мягкотелыми,
как черви и медузы,
а приобрели весь спектр форм, который мы видим сегодня,
целый ряд поведенческих моделей.
Внезапно жизнь стала сложной.
Зрение появилось в мире и осталось окончательно.
Сегодня у более чем 95 процентов живых существ есть глаза,
и зрение является самым мощным стимулом на Земле.
Куда бы вы ни шли, вы создаёте картинку на сетчатке,
и с этого момента животным пришлось адаптироваться,
так как они могли в любой момент стать жертвой хищника.
Эволюция привела к процессу развития,
в котором мутируют триллионы и триллионы цепочек ДНК,
производя бесконечные варианты новых типов расцветок.
Они занимались этим миллионы лет,
сотни миллионов лет, чтобы произвести оптимальные цвета.
В индустрии дизайнеру редко выпадает удачный год,
приносящий новый цвет.
Почему бы не понаблюдать за тем, что может предложить природа,
может, мы могли бы скопировать что-то?
Даже если мы не понимаем, как создаются цвета,
это не имеет значения,
просто скопируйте наноструктуры, которые есть в природе,
и получите те же самые цвета.
В конце концов, у нас одна и та же цель:
воздействие на глаз.
Обратимся к промышленности и спросим:
«Какие цвета вы пожелаете?»
«Хотели ли бы вы очень яркий цвет, светящийся в темноте,
который может даже давать свет, когда солнечный свет отсутствует?»
Например, в светящихся палочках
или в некоторых применениях на фермерских полях,
где, если урожай поражён вирусом,
он будет светиться в темноте, показывая фермеру места поражения.
Это как раз то, что мы делаем с биолюминесцентными веществами.
Биолюминесценция — это когда два вещества взаимодействуют в присутствии кислорода
и производят свет как побочный продукт.
Это очень продуктивный свет.
Практически вся энергия преобразуется в свет
и очень мало — в тепло в отличие от ламп накаливания.
Биолюминесценция вызывает свечение у светлячков или жуков-светляков.
Это часто бывает в глубоком море,
где более 90% всех живых существ производят биолюминесцентный свет.
Может быть, промышленности пригодятся пигменты?
Они часто встречаются в природе, например, у этой молочной змеи.
В данном случае здесь есть пигмент, который даёт оранжевый цвет.
Здесь на молекулу попадает белый свет
со всеми различными цветами или длинами волн.
Бо́льшая часть этих волн поглощается и превращается в тепло,
но та энергия, которая осталась непоглощённой,
отражается обратно или рассеивается в окружающую среду,
и вы видите эти цвета.
Есть ещё способ, как природа может дать промышленности пигменты.
Это возможно через хроматофоры, то есть клетки, меняющие свой цвет.
Эти клетки могут расширяться и сокращаться,
и они наполнены пигментом.
Когда они расширяются,
они достаточно большие, чтобы выглядеть как пиксель,
а когда сокращаются, становятся невидимыми.
Это принцип изменения цвета хамелеона, каракатицы или кальмара.
Представьте себе совмещённые вместе красные, синие и зелёные хроматофоры,
их расширение и сокращение, чтобы создать любой нужный вам цвет.
Сейчас я работаю с Технологическим институтом Джоржии
и пытаюсь создать поверхности и материалы, меняющие цвет,
что полезно, например, для цветов камуфляжа.
Мы могли бы производить также флуоресцентные цвета для промышленности,
вокруг их множество,
особенно у попугаев, в частности у попугаев Австралии.
Это головные перья большого желтохохлого какаду,
которые флуоресцируют.
Здесь вы видите изображение, показывающее жёлтый пигмент,
а затем показывающее только флуоресценцию.
Оказалось, что флуоресценция также имеет жёлтый цвет
и усиливает эффект от жёлтого пигмента.
Я обнаружил, что некоторые жёлтые перья создают флуоресценцию,
а другие — нет.
Фактически именно перья, участвующие в ухаживании,
перья в областях плюмажа для привлечения самки,
содержат флуоресцентный пигмент.
То есть это не просто побочное свойство жёлтого пигмента.
Эволюция поработала над этим,
чтобы очень эффективно создавать жёлтый свет.
Флуоресценция получается из-за эффекта на атомном уровне,
куда попадает белый свет, включающий ультрафиолет.
Ультрафиолет, который мы не видим,
поглощается и отражается снова в виде более длинных волн.
И часть высокой энергии, которая содержится в ультрафиолетовом свете,
используется, когда электрон прыгает на внешнюю орбиту.
Когда же электрон немедленно падает обратно на свою орбиту,
энергия высвобождается, но часть теряется из-за тепла,
поэтому энергии меньше,
что означает более длинную волну, или жёлтый цвет, к примеру.
Так мы переходим от невидимого ультрафиолета
к жёлтому цвету, который мы видим.
А теперь моя любимая тема:
это структурный цвет, природная нанотехнология, если хотите.
Это физические структуры, выполненные из абсолютно прозрачных материалов.
Это наноразмерная архитектура,
что важно при определении, какой цвет отражается
или какой световой эффект можно видеть.
Здесь мы видим шипы морской мыши под названием Афродита,
которая водится возле пляжей Сиднея.
Это очень необычное животное, похожее на маленькую радужную мышь.
Но это морское животное,
и оно покрыто этими радужными шипами.
Если разрезать эти шипы,
можно увидеть эти крошечные нанотрубки,
такая форма называется фотонно-кристаллическим оптоволокном.
Фотонные кристаллы были обнаружены в физике только в 1980-х годах,
и с тех пор они используются во всех технологических приложениях.
Они совершат революцию в компьютерах будущего
с оптическими микросхемами вместо электронных.
Такие типы оптического волокна
уже используются в телекоммуникации.
Но в природе есть разработки, неизвестные физике,
и в физике пока нет объяснения тому, как они работают.
Поэтому давайте просто копировать то, что уже есть в природе.
И я обнаружил не только это.
Это был первый фотонный кристалл, найденный в природе,
который я обнаружил в 2000 году.
Но мы бы сэкономили много времени,
если бы начали наблюдать за природой раньше.
Бабочки являются отличными примерами фотонных кристаллов.
Крыло бабочки содержит около сотни тысяч чешуек,
перекрывающихся как черепица на крыше.
Каждая из этих чешуек заполнена наноструктурами,
которые взаимодействуют со световыми волнами по-разному.
И вы увидите на следующих слайдах —
у нас есть электронная микрофотография, показывающая мельчайшие детали чешуек,
опять же примерно в сто раз меньше толщины волоса, —
увидите, как эти структуры меняются
почти так же, как может меняться форма строения.
Но когда это в наномасштабе сравнимо с длиной волны света в чешуйке,
они будут менять цветовой эффект.
Вы сможете видеть различные архитектуры, создающие разные цвета,
и они могут изменять то, как изменяется цвет.
Рассматривая эти мелкие чешуйки,
можно увидеть и те, которые меняют цвет, и те, которые нет,
можно получить очень яркие чешуйки или более тусклые экземпляры.
Хорошим примером фотонного кристалла является опал,
драгоценный камень опал, который виден на картинке слева вверху.
Опал заполнен крошечными наносферами.
Они лежат плотно одна к другой.
Лучи света входят в него,
отражаются внутри этой структуры и взаимодействуют между собой,
создавая переливчатые цвета.
Но интересно, что в 2005 году я нашёл опал у долгоносиков, живых существ.
Получается, что животное создаёт опал.
У опала уже есть множество технологических применений,
и он появится в компьютерных чипах.
При их изготовлении потребляется очень много энергии,
нужны высокие температуры и давление.
Но природа, животные, делают это при комнатных температурах и давлениях.
Они волшебным образом смешивают вещества,
и при очень маленьких затратах энергии получается этот безупречный опал.
Это то, что мы пытаемся сделать сейчас сами.
Мы пытаемся увидеть чешуйки у живых долгоносиков,
чтобы понять, как они создают эти устройства,
чтобы скопировать их и перенести этот процесс в промышленность.
Некоторые природные оптические устройства совсем не производят цвет.
Как раз наоборот:
они предотвращают всякое отражение,
весь свет проходит сквозь поверхность,
как я обнаружил на глазу этой мухи возрастом в 45 миллионов лет,
сохранившейся в янтаре.
Это очень мелкая структура, вы еле можете видеть
эти крошечные борозды на электронном микроснимке.
Когда я поместил это на поверхность плексигласа, как видно внизу справа,
в центре получилась эта структура,
и видно, как отражения уничтожаются.
Это позволяет свету проходить насквозь вместо того, чтобы отражаться.
Если вы поместите это на окно,
то вы не увидите своего отражения.
Поместив это на солнечные панели, мы получим 10% прироста энергии.
Несколько лет назад
я начал интересоваться не только оптикой цвета в биомиметике,
а также и другими вещами,
такими как изучение прочных материалов у жуков и креветок-богомолов,
изучение клейких веществ, работающих под водой,
дизайнов природных строений, увиденных у животных и растений,
а также систем кондиционирования, обнаруженных в муравейниках,
чтобы применять их там,
где нужно очень мало энергии.
Особенно меня увлекла вода.
Вкратце, вот пример жука из Намибии,
у которого я нашёл структуру,
которая очень эффективно собирает воду из тумана в пустыне.
Сейчас используются системы кондиционирования,
чтобы извлекать воду и использовать снова.
Но природа говорит нам,
что есть целый воздушный источник воды,
который используют животные и растения в пустынях, например.
Это то, над чем сейчас я работаю совместно с МТИ,
и мы надеемся разместить эти первые устройства в Африке,
чтобы довольно скоро собирать воду для питья и медицины.
К сожалению, я не могу рассказать точные планы на будущее.
У нас готовятся несколько потрясающих вещей, особенно в будущем году,
но, по крайней мере, я сумел приоткрыть вам эту тему
и сказать, когда всё это началось,
а именно 520 миллионов лет назад.
Большое спасибо.
(Аплодисменты)