Natural growth of light harvesting nanostructures from microalgae for bioinspired energy solutions

Abstract

Light, the most widely available source of energy, enables the development of devices that are under constant studying of optimization and improvement. Nowadays, due to the miniaturization of components, nanoscale technologies are at an all-time high. Photonic crystals, nanostructures characterized by defined periodic wavelength-scale patterns, e.g. pore lattices filled with a different refractive index than that of the bulk material, have the ability to ma nipulate light at ease. This periodicity induces a periodic dielectric function that gives rise to the so-called photonic bandgaps, a set of wavelengths/energies and crystallographic directions for which propagation within the photonic crystal is forbidden. Photonic crystals are commonly produced in cleanrooms involving precise nanofabrication techniques. The demand for a high reproducibility of such structures can, in a long term, become cost-unfriendly, not to mention the environmentally hazardous methods some techniques may require. Recent researches confirmed that natural photonic crystals exist in the silicon dioxide exosqueletons of diatoms, abundant microalgae that precipitate silicid acid from water. This Thesis focuses on the study of a specific part of those exosqueletons: the girdles. The highly ordered lattices these structures exhibit create photonic bandgaps with preserved and well defined photonic properties, paving the way for their utilization as environmentally friendly photonic materials. This Thesis shows, through theoretical and experimental studies, the preparation and modification of these photonic structures by tailoring the refractive index contrast with the deposition of higher refractive index materials, aiming to fine tuning of the photonic properties, thus presenting diatom biomass as a highly available photonic crystal with well preserved photonic properties. Potential applications are not restricted to devices that rely on light, but also involving sensing by colorimetry or refractive index change detection.

Luz, a maior fonte de energia disponível, permite o desenvolvimento de dispositivos que se encontram sob estudo constante em termos de otimização e aprimoramento. Nos dias de hoje, devido à miniaturização de componentes, tecnologias à nano-escala têm se destacado cada vez mais. Cristais fotónicos, nano-estruturas caracterizadas por padrões periódicos definidos à escala do comprimento de onda, por exemplo redes de poros preenchidas com um índice de refração diferente do material que compõe a estrutura, são capazes de facilmente manipular a luz. Esta periodicidade induz uma função dielétrica periódica que dá origem aos hiatos fotónicos, um intervalo de comprimentos de onda/energias e direções cristalográficas nos quais a propagação de luz no cristal fotónico é proíbida. Cristais fotónicos são regularmente produzidos em ambiente de sala limpa envolvendo técnicas de nanofabricação precisas. A exigência de elevada reprodutibilidade de tais estruturas pode, a longo prazo, tornar-se um processo dispendioso, para não falar dos métodos perigosos para o ambiente que algumas técnicas possam requerir. Pesquisas recentes confirmaram a existência de cristais fotónicos naturais nos exoesqueletos de dióxido de silício de diatomáceas, microalgas abundantes que precipitam ácido silícico da água. Esta Tese foca-se no estudo de uma parte específica destes exoesqueletos: as girdles. As redes altamente ordenadas que estas estruturas exibem criam hiatos fotónicos com propriedades bem definidas e preservadas, abrindo caminho para a sua utilização como materiais fotónicos amigos do ambiente. Esta Tese demonstra, com recurso a estudos teóricos e experimentais, a preparação e modificação destas estruturas periódicas através da modulação do contraste de índice de refração com deposição de materiais de elevado índice de refração, com o objetivo de modificar as propriedades fotónicas, e assim apresentar a biomassa proveniente de diatomáceas como cristais fotónicos altamente disponíveis e com propriedades fotónicas altamente preservadas. As possíveis aplicações não se restringem apenas a dispositivos que trabalhem diretamente com luz, mas também envolvendo deteção por colorimetría a deteção de mudanças no índice de refração.