Кривые чешуйки светлячка подсказали, как сделать светодиоды ярче

Тёплым летним вечером на краю луга из высокой травы поднимаются маленькие зелёно-золотые огоньки, мигают и снова гаснут. Светлячки зажигали свои фонарики задолго до того, как кто-то придумал лампу. В 2013 году группа физиков очень внимательно рассмотрела один такой фонарик и нашла способ получить больше света от светодиода, крошечного электрического огонька внутри современных ламп и экранов.

Где застревает свет

Светлячок создаёт свет внутри брюшка, в небольшом органе, который так и называют фонариком. Но создать свет мало, это только половина дела. Ему ещё нужно выйти наружу. Свечение должно пройти сквозь внешний панцирь насекомого, кутикулу, а потом попасть в воздух, а в них свет движется с разной скоростью. На такой границе часть света не проходит дальше, а отражается обратно внутрь, и всё, что отразилось, для вечера потеряно. У светодиода ровно та же беда: часть света, созданного внутри, отражается от поверхности и никогда не выходит.

Исследователи из Намюрского университета в Бельгии и их коллеги из Франции и Канады изучали светлячков рода Photuris, которые живут в Латинской Америке и США. Под мощными микроскопами они увидели на поверхности фонарика крошечные рёбрышки, слишком мелкие для глаза. А ещё нашли кое-что покрупнее и заметно менее аккуратное.

Крыша из кривой черепицы

Чешуйки, покрывающие фонарик, прилегают друг к другу неровно. Каждая заходит на соседнюю, и её край торчит под наклоном, как черепица на небрежно уложенной крыше. Учёные назвали это формой заводской крыши. Зубчатые края повторяются примерно через каждые 10 микрометров и поднимаются примерно на 3 микрометра, а микрометр это одна тысячная миллиметра. Компьютерные модели показали, что выйти свету больше всего помогают именно эти кривые края, а не тонкие рёбрышки. Острые скаты дают свету больше углов, под которыми он может выбраться.

• ≈ 10 мкм от одного зубчатого края чешуйки до следующего у светлячка
• ≈ 3 мкм высота этих краёв у светлячка
• 5 мкм высота и ширина копии, сделанной на светодиоде
• 55% столько дополнительного света, самое большее, выпустил светодиод с покрытием

Потом учёные позаимствовали идею. На обычный светодиод из нитрида галлия они нанесли светочувствительный слой и лазером придали ему тот же наклонный профиль, увеличив его до 5 микрометров в высоту и ширину, чтобы он подошёл к новому материалу. Светодиод с покрытием отдавал до 55 процентов больше света, чем такой же без покрытия. Работа вышла в виде двух статей в журнале Optics Express в январе 2013 года. Удобно и то, что слой наносится поверх готового светодиода, так что переделывать то, что под ним, не нужно.

В чём люди часто ошибаются

Легко решить, что более яркой лампе нужно больше энергии или что поверхность должна быть гладкой и отполированной, чтобы хорошо пропускать свет. Светлячок показывает обратное в обоих случаях. Его фонарик шершавый нарочно, а выигрыш получается оттого, что меньше теряется свет, который и так создаётся. С числом тоже нужна осторожность: 55 процентов это лучший результат на опытном светодиоде в лаборатории, и он показывает, сколько света выходит наружу, так что это не обещание насчёт лампочки у вас на кухне. И ещё одна поправка, к английскому имени firefly, то есть огненная муха: светлячок вовсе не муха. Это жук из семейства Lampyridae.

Сам светлячок, конечно, ни о чём таком не думал. Он не собирался освещать комнату или экономить на счетах за электричество. Он всего лишь хотел, чтобы его заметили на другом конце тёмного луга, и слегка неряшливая крыша оказалась для этого лучшим способом.