Modelado electromagnético de estructuras biomiméticas

• Autores: Urquía, Gonzalo Martín
• Año de publicación: 2024
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Skigin, Diana Carina; Inchaussandague, Marina Elizabeth
• Materia: COLOR ESTRUCTURAL; CRISTALES FOTONICOS; BIOMIMETICA; APRENDIZAJE PROFUNDO; OPTIMIZACION; STRUCTURAL COLOR; PHOTONIC CRYSTALS; BIOMIMETICS; DEEP LEARNING; OPTIMIZATION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En esta Tesis se investigan propiedades ópticas específicas y mecanismos de generación de color estructural que aparecen en distintas especies de aves y reptiles debido a la interacción de la luz con las microestructuras complejas presentes en sus tejidos. Se pretende utilizar los mecanismos físicos y propiedades investigadas para diseñar estructuras fotónicas artificiales con efectos de color sintonizables. La investigación se aborda desde el punto de vista electromagn ético, aplicando y extendiendo el método Korringa-Kohn-Rostoker (KKR), que es un método riguroso que tiene en cuenta el carácter vectorial del campo eléctrico. Se estudia la respuesta óptica de estructuras constituidas por apilamientos de capas paralelas de esferas periódicamente distribuidas formando un arreglo triangular bidimensional. Se considera el caso de esferas homogéneas y el de esferas formadas por un núcleo y un recubrimiento. Dado que toda estructura natural presenta cierta irregularidad, para modelar en forma adecuada la respuesta óptica producida por las microestructuras estudiadas, se aplican distintas técnicas de promedios en el marco del método KKR. En esta Tesis también se presenta una novedosa estrategia de diseño inverso, a través de la implementación de una red neuronal profunda, para predecir los parámetros geométricos de una estructura de esferas que produce un color reflejado predeterminado. Se muestra que los colores producidos por las estructuras optimizadas son muy similares a los originales. Si bien esta optimización se realiza para una estructura específica, el enfoque utilizado en esta Tesis podría aplicarse a la optimización y diseño de otras estructuras artificiales con propiedades de color específicas, como cristales fotónicos 3D.
In this Thesis we investigate specific optical properties and structural color generation mechanisms that appear in different species of birds and reptiles due to the interaction of light with the complex nanostructures present in their tissues. The aim is to use the physical mechanisms and properties investigated, to design artificial photonic structures with tunable color effects. The investigation is addressed from an electromagnetic point of view, by applying and extending the Korringa-Kohn-Rostoker (KKR) method, a rigorous method that takes into account the vector nature of the electric field. The optical response of structures formed by a stack of parallel layers of spheres periodically arranged in a 2D Bravais lattice is studied. The case of homogeneous spheres as well as that of core–shell nanospheres are considered. Taking into account that all natural microstructures present certain degree of irregularity, different averaging techniques are applied within the framework of the KKR method to adequately model the optical response produced by the investigated structures. This Thesis also presents a novel inverse design strategy, through the implementation of a deep neural network, to predict the geometric parameters of a spheres‘ structure that produces a desired reflected color. It is shown that the colors produced by the optimized structures are very similar to the original ones. Although this optimization is carried out for a specific structure, the approach used in this Thesis could be applied to the optimization and design of other artificial structures with specific color properties, such as 3D photonic crystals.
Fil: Urquía, Gonzalo Martín. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.