Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (NSF CAREER Award CCF-0347303 und NSF CCF-0541105) gefördert. Die Autoren bedanken sich bei Jaroslav Křivánek, Jon Mond, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, und John Hermanson für ihre intellektuellen Beiträge danken. Die Cornell Sphärische Gantry wurde von einem Design durch Duane Fulk, Marc Levoy und Szymon Rusinkiewicz gebaut.

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Obwohl die Leistung und Funktion von vielen Pigmentstörungen und strukturelle Färbungen gut erkannt werden, ist die Morphologie von vielen Integumente so komplex, dass ihre strukturelle Detail und Funktion schlecht verstanden werden 20. Integumente haben Spezialisierungen, die räumlich variieren über die Oberfläche des Organismus unterschiedlich reflektieren das Licht gerichtet in Richtung des Betrachters entwickelt. Richtwirkung hat sich die Aufmerksamkeit in erster Linie in der Studie von Schillern aufgrund seiner Farbverschiebung mit Wechsel der Vorfall und Blickwinkel, und die Erforschung der biologischen Schillern integument erhalten hat sammelte hauptsächlich 1D-und 2D-Messungen einige 8,12,17. Aber generalisierte 6D Messungen wurden nicht Routine in der Studie von Integumente 21-23, irisierende oder anderweitig, und die Literatur über organismal Farbe Phänotypen wird durch das Fehlen von gerichteten Farbdaten der Art unserer Methode bietet eingeschränkt. Die Feder ist ein besonders rich integumentary umfassend Anordnungen von Milli-Skala Struktur der Widerhaken: rami, distalen barbules und proximalen barbules. Die geringe Größe der Elemente und ihrer komplexen Anordnungen ist es schwierig, die Lichtstreuung Leistung der einzelnen Elemente zu erkennen. Unser Protokoll erfolgreich Milli-Skala Struktur von dem Einfluss der Makro-Skala Geometrie isoliert. Mit der Charakterisierung der funktionellen Konsequenzen der gerichteten Expression von milli-Skala Strukturen Fernfeld Signatur der Feder, dadurch wir Untersuchung ihre adaptive Folgen. Wir standen praktische Kompromisse zwischen spektralen, räumlichen und Winkelauflösung. Wir entschieden uns für eine hohe räumliche, medium eckig und geringe spektrale für unsere Studien. Andere Kombinationen können verwendet werden, aber einige (zB alle hoch) führen zu unworkably lange Messzeiten. Zu beachten ist konzentriert, in denen es wichtig für die besonderen Phänomene untersucht werden ist. Bei der Wahl, um eine RGB ca. beschäftigenmera mit einem Bayer-Filter Mosaik, entwarfen wir unser Protokoll, das menschliche visuelle System entsprechen. Die RGB-Kamera ersetzt werden konnte und unser Protokoll angepasst, um die relative Farbreiz eines jeden Organismus zu messen, wird z. B. Empfindlichkeit im UV-Spektrum benötigt, um Vogelgrippe Tetra-chromatische Farbe 24,25 messen. Ein Spectral Imaging Kamera würde die meisten allgemeine Lösung 25. Wir zeigten unser Protokoll mit Tertial Schwungfedern da sie bunt und leicht gegen eine Referenz Platte abgeflacht sind. Leider ergab die Öffnung der Metallplatte nur einen Bruchteil der Feder Oberfläche. Wenn wir gleichzeitig messen konnte die 3D-Form der Feder Oberfläche während der Messung seiner Reflexion 25, konnten wir mechanisch vermeiden Abflachung der Feder und stattdessen messen die gesamte Feder in seiner natürlichen, nicht abgeflachten Zustand. Interactive, spezialisierte, integrierte Werkzeuge für die Visualisierung von Daten bieten haben ausal Wissenschaftler erforschen und Interpretation großer Datenmengen profitieren. Je größer die Integration und Interaktivität sind die Verbindungen leichter in den Daten beobachtet. In unserer Software kann ein Benutzer interaktiv darzustellen Average Directional Streuung als eine Funktion der Oberfläche Position (Abbildung 4). Weiterentwicklung unserer Software integrieren könnte anderen Plot-Funktionen (6, 7), um die interaktive Erfahrung zu erweitern.

Die Farbe und das Muster eines Organismus spielen integument ökologisch und sozial wichtige Funktionen in den meisten Tiergruppen. Diese phänotypischen Eigenschaften werden durch die Wechselwirkung von Licht mit der Struktur der Deckhaut, die optische Streuung, die räumlich (über die Oberfläche des Integument) und gerichtet (mit Veränderungen in der Beleuchtung und Blickrichtung) variiert aufweisen bestimmt. In komplexen biologischen Materialien, wie z. B. Federn, wird die Richtung der Lichtstreuung durch die Orientierung des sich wiederholenden milli-Skala Geometrie beeinflusst. Diese Milli-Skala Strukturen selbst kann mit Nano-Strukturen, wie Melanin-Arrays, die oft erben die Milli-Skala Orientierung eingebettet werden. Von Nano-bis Makro-Skalen, hat sich die Struktur des Integuments funktional, um die Signalisierung Fähigkeit des Organismus zu erhöhen entwickelt. Um den Einfluss der Morphologie von verschiedenen Skalen auf dem Gesamtbild zu beurteilen, Werkzeugemessen und analysieren die Farbe von biologischen Strukturen brauchen Flexibilität, um gerichtete Lichtstreuung in verschiedenen Maßstäben der Vergrößerung zu isolieren. Wir entwickelten Image-basierte Mess-Tools, um zu studieren, wie die Leistung von einer Feder ist komplex und vielfältig Milli-Skala Morphologie (rami Widerhaken, distalen barbules und proximalen barbules) die Bandbreite der möglichen Ausdruck von nanoskaligen Strukturen allein erweitert. In einem einzigen Bild mit der Kamera aufgenommen, wir beobachtet, dass das Licht anders reflektiert an verschiedenen Stellen auf der Oberfläche der Feder, das heißt, Lichtreflexion war räumlich variierenden. Wenn wir das Licht und die Kamera bewegt in Bezug auf die Feder, beobachteten wir das Reflexionsvermögen verändert, das heißt, Lichtreflexion wurde gerichtet variierenden 1. Nach diesen Beobachtungen haben wir ein Protokoll, um methodisch bewegen das Licht und die Kamera um das Objekt mit einem sphärischen Gantry 2,3, mit dem wir erobert 2 Dimensionen surface Position (X und Y), 2 Dimensionen des Lichts Richtung (Breitengrad und Längengrad) und 2 Dimensionen der Kamera Richtung (Breitengrad und Längengrad) (Abbildung 2). In Software, die wir visuell erkundet die 6 Dimensionen des gestreuten Lichts in Abhängigkeit von Position, Richtung und Beleuchtung Blickrichtung. Frühere Untersuchungen in den Reflexionsgrad von Integumente hat zu oft den Beitrag der Richtwirkung abgezinst - zB diffuse vs spiegelnd oder isotropen vs anisotrope Reflexion - die Farbe Ausdruck. Die meisten Farben-Messungen haben das einfallende Licht, Objekt und Blickgeometrie fixiert sorgfältig vermeiden direktionale Effekte. Zum Beispiel, um Spiegelreflexion von Farbmessungen zu beseitigen, ist es üblich, das Licht senkrecht zur Oberfläche zu platzieren und Aufzeichnung der Reflexion um 45 ° von der Normalen. Studien, die Morphologie Link tun, um gerichtet variierenden Reflexionsgrad der Regel auf der Nano-Skala konzentrierenund seine schillernden Folgen 4-8. Wenige betrachten den Beitrag der Mikro-, Milli-und Makro-Skala Geometrien Fernfeld optische Signatur 8-11. Es ist daher üblich, eine Licht-Detektor zu aggregieren Reflexion beschäftigen über einen einzigen Bereich von Interesse, die mehrere Milli-und / oder Makroebene Komponenten wie Widerhaken rami, barbules und sogar ganze Federn 6,8,11-17 umfassen kann . Wenn der Bereich von Interesse entweder kleiner als die Auflösungsgrenze des Detektors oder nicht an die Form des Detektors Sichtfeld konform ist, gibt die gemeinsame Protokoll Probe Dissektion der Lichtstreuung von der spezifischen Millisekunden Skalenelement 8,10 isolieren , 13,15. Wir haben eine umfassende Protokoll zur Messwerterfassung und Visualisierung, die Erkundung der vielen Variablen oft in anderen stärker fokussierten Studien ignoriert fördert entwickelt. Wir messen Lichtstreuung über eine Kugel von Richtungen und acrossa Region des Weltraums mit einem massiven Reihe von High-Dynamic Range, Fotos in hoher Auflösung von einer systematischen Reihe von Licht und Blickrichtungen gemacht. Wir beschäftigen einen hochauflösenden Bildsensor mit seiner 2D-Array von feinskaligen Pixeldetektoren. Aggregation in Hardware erfolgt auf Pixel-Ebene, um eine Größenordnung kleiner als die Milli-Skala Elemente, die wir messen. Eine zweite Stufe Aggregate einzelnen Pixel in Software als der Benutzer die Form und Größe des Bereichs von Interesse. Dementsprechend kann eine einzelne Messung Satz wiederholt in Software ausgewertet werden, um verschiedene Aspekte des Lichts Wechselwirkung mit dem Material an verschiedenen biologisch relevanten Positionen und Skalen zu erkunden. Durch den Wegfall der Präparation und Messung der gesamten Feder, hat unser Protokoll den Vorteil, dass die Morphologie der Feder Flügel intakt, Beibehaltung natürlichen Kontext und Funktion, ist das Licht der Wechselwirkungen zwischen konstituierenden Milli-Skala Elemente. Lichtstreuung von organismal structure ist mehrdimensional und schwer zu quantifizieren. Gemessen 6D Lichtstreuung kann noch nicht auf bestimmte Morphologie innerhalb einer Hierarchie der Skala werden mit einem einzigartigen Instrument zurückzuführen. Aber wir haben einen wichtigen Schritt in diese Verfolgung gemacht. Probenahme Reflexion mit der Gantry, die Erkundung großer Datenmengen in Software und Visualisierung von Daten Teilmengen grafisch - - Wir haben ein Tool umfasst drei komplementäre Methoden entwickelt, um unsere Fähigkeit, 6D Lichtstreuung an jedem Punkt eines Materials zu messen verlängern, bis die Milli-Skala. Als Protokolle wie uns beschäftigt sind, rechnen wir Biologen eine Vielzahl von direktional und räumlich variierenden Eigenschaften und entsprechenden strukturellen Anpassungen an mehreren Skalen der Entwicklung zu identifizieren. Mit unseren Tools sind wir in die Charakterisierung der Signalisierung Potential der Richtungs-und räumliche Expression von Milli-Skala Strukturen beschäftigt, und hoffen, dass Licht auf ihre adaptive Konsequenzen zu vergießen. Wir wenden uns an eine Reihe von Fragen, wie zB: von einemy gegebenen Beobachtungspunkt, was in Ordnung angelegte Elemente oder grober Maßstab Regionen der Feder reflektieren stark? Wie wirkt sich die Orientierung der feinskaligen Elemente Einfluss auf die Richtung des gestreuten Lichts? Was morphologischen Bedingungen produzieren Eine samtweiche Glanz im Vergleich zu einem mit Pailletten funkeln des schillernden Ornament? Haben einige Arten produzieren breiteren &quot;Fenster&quot; für die Beobachtung von Schillern als andere? Diese Fragen können über Vögel und ihre Federn, sondern auch über alle anderen Organismen, die ein bestimmtes Aussehen der Oberfläche für die Signalisierung, Tarnung, oder aus anderen Gründen entstanden sind gefragt.

measuring spatially- and directionally-varying light scattering from biological material

Licht interagiert mit eines Organismus integument auf einer Vielzahl von räumlichen Skalen. Zum Beispiel in einem schillernden Vogel: Nano-Strukturen zu erzeugen Farbe, die Milli-Skala Struktur von Widerhaken und barbules bestimmt weitgehend die Richtcharakteristik des reflektierten Lichts, und durch die Makro-Skala räumliche Struktur von überlappenden, gebogene Federn, schaffen diese direktionale Effekte die visuelle Textur. Milli-Skala und Makro-Skala Auswirkungen bestimmen, wo auf den Organismus des Körpers, und von dem, was und unter welchen Gesichtspunkten Beleuchtung, die schillernden Farben zu sehen sind. Somit wird der stark gerichteten Blitz leuchtenden Farben von der schillernden Kehle eines Kolibris unzureichend durch seine Nano-Struktur allein und erläutert Fragen bleiben. Von einem bestimmten Beobachtungspunkt, sind die Milli-Skala Elemente der Feder orientiert sich an stark reflektieren? Haben einige Arten produzieren breiteren &quot;Fenster&quot; für die Beobachtung von Schillern als andere? Diese und ähnliche Fragen may über alle Organismen, die ein bestimmtes Aussehen der Oberfläche für die Signalisierung, Tarnung, oder aus anderen Gründen entstanden sind gefragt. Um die Richtcharakteristik der Lichtstreuung von Federn zu studieren, und ihre Beziehung zu den Vogel Milli-Skala Morphologie, entwickelten wir ein Protokoll zur Messung von Licht aus biologischen Materialien mit vielen Fotos in hoher Auflösung mit unterschiedlichen Beleuchtungs-und Blickrichtungen genommen verstreut. Da wir Streulicht gemessen als Funktion der Richtung, können wir die charakteristischen Merkmale in der gerichteten Lichtverteilung aus, dass insbesondere Feder verstreut zu beobachten, und weil Widerhaken und barbules sind in unserer Bilder gelöst, können wir klar führen die Richtungs-Funktionen, um diese unterschiedlichen Milli-Skala Strukturen. Halten Sie die Probe intakt bewahrt die Brutto-Skala Streuverhalten in der Natur gesehen. Das hier beschriebene Verfahren stellt eine verallgemeinerte Protokoll zur Analyse von räumlich und direktional-varying Lichtstreuung aus komplexen biologischen Materialien an mehreren strukturellen Skalen.

Die primäre Messung unseres Protokolls (Routine I in Abbildung 1) fixiert die Kamera Richtung senkrecht zur Oberfläche und nur das Licht bewegt. Seit Lichtstreuung folgt dem Grundsatz der Gegenseitigkeit, das Ergebnis ist das gleiche, ob wir die Kamera konstant zu halten, während sie sich das Licht über die Hemisphäre oder umgekehrt. Wenn wir entweder die Kamera oder das Licht zu beheben, wird die komplette 4-dimensional Satz unterabgetastete. Ein vollständiges Bild des Streuverhalten wird beobachtet, wenn, anders als die primäre Messung Licht und Kamera weg von der Oberfläche normaler und in eine Vielzahl von Richtungen bewegt werden. Im Idealfall könnten wir Lichtstreuung von vielen Kamera Richtungen messen, so viele wie die Anzahl der einfallenden Lichtes Richtungen, um eine symmetrische Daten-Set zu erhalten. In der Praxis würde dies viel zu viele Risiken. Nach unserer Erfahrung können wir ausreichende Informationen über die verschiedenen Blickrichtungen, indem Sie die Kamera ein paar Mal assu erhaltenMing 180 °-Rotationssymmetrie um die Flächennormale. Während der sekundären Messphase haben wir Messungen von 7 Blickrichtungen über die Hemisphäre und innerhalb von 60 ° der Zenit 18,19 (Routine II.A in Abbildung 1) verteilt. In den Figuren dieser Arbeit zeigen wir, repräsentative Daten aus einer Feder Lamprotornis purpureus (Lila Glossy Starling), das Reflexionsvermögen von denen schillernd, glänzend, und anisotrope ist (Abbildung 5) gemessen. In jeder der 7 Blickrichtungen, ist reflektiertes Licht von Hunderten von einfallendem Licht Richtungen auf der Halbkugel versammelt. Die Richtungen bilden ein schmales Band orthogonal ausgerichtet zu der Mittelachse der Feder (siehe Bild Feder in Abbildung 4). Das Schillern Farbverschiebung ist subtil (bläulich-grün bei senkrechtem Einfall und grünlich-blau unter streifendem Einfall), wenn die Feder betrachtet senkrecht zu ihrer Oberfläche, wie in der {0 °, 0 &amp; de geseheng;} RGB Grundstück von 5. Als Betrachtungswinkel Ansätze Beweidung werden die Winkel zwischen der Blickrichtung und die Beweidung Vorfall Richtungen maximiert, was zu einer markanten Farbverschiebung (bläulich-grün bei 0 ° und 240 ° bei Magenta zwischen Vorfall und Blickrichtungen), wie in der zu sehen {60 °, 0 °} RGB Grundstück in Abbildung 5. Wir können es sich leisten, das Licht und die Kamera auf viel feinere Winkelauflösung Schritt, wenn wir die Bewegungen 1 Dimension beschränken. Abbildung 6 zeigt die Farbigkeit der Reflexionsgrad von L. purpureus Gefieder in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen dem einfallenden und Blickrichtungen, wobei die einfallenden und Blickrichtungen in der Ebene, die die spiegelnde Band, die senkrecht zur Längsachse des distalen barbule. Da die schillernden Farben Bögen durch Farbwert-Raum verschiebt sich die Farbe von blau-grün bis violett. Räumliche Variablen<html> ation in der gerichteten Reflexion sichtbar ist, wo verschiedene (X, Y)-Koordinaten der Integument entsprechen unterschiedlichen milli angelegte Strukturen. Im Falle von L. purpureus nur eine Struktur - das distale barbule - sichtbar über den größten Teil der Region. Im Gegensatz dazu C. cupreus, drei Milli-Skala Strukturen - die rami, distalen barbules und proximalen barbules - sind deutlich in den Daten unterschieden, und wir können diese Reflexion aus der Feder beobachten orientiert sich in Bezug auf die Längsachse jeder Struktur (Abbildung 8) . <img alt="Abbildung 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" /> Abbildung 1. Diese schematische Übersicht zeigt zwei Montage Methoden, die sphärische Gantry Koordinatensystem, Arten des Erwerbs Probenahme und ihre jeweiligen Ergebnisse.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Abbildung 2. Der abgeflachte Feder sichtbar ist durch eine Öffnung in einer Metallplatte durch einen Ring von Zielen umgeben. Eine sphärische Gantry gestellt zu Lichtstreuung von einer Feder an mehreren einfallenden Licht und Blickrichtungen zu messen. L = Leicht Arm (Breitengrad). C = Kamera Arm (Breitengrad). B = Kamera Basis (Längengrad). T = Turntable (Längengrad). F = Feather. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Abbildung 3. Average Directional Streuung kann von einem Punkt, Linie oder rechteckigen Bereich Feder Flügel berechnet werden. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; Abbildung 4. Beispiel gerichteter Streuung Plot-Funktionen (R * = Reflexion, Transmission T * = P * = Top, F * = Front, S * = Side, A * = beliebig) und Farbschemata (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = Chromaticity). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Abbildung 5" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" /> Abbildung 5. Die Leuchtdichte (oben) und RGB-Farbe (unten) des halbkugelförmigen Reflexionsgrad in Richtungskosinus Raum als aus den (Elevationswinkel, Azimutwinkel) Koordinatenpaaren angesehen: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °} und {60 °, 135 °}. das Reflexionsvermögen<html> gemittelt aus einem 25 × 25 Pixel rechteckigen Bereich der seitlichen Flügel eines Tertial L. purpureus (Lila Glossy Starling) Feder. Die roten Pfeile stellen Kamera Richtungen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Abbildung 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" /> Abbildung 6. Chromaticity der Reflexion als eine Funktion des halben Winkel zwischen dem einfallenden Licht und Blickrichtungen:. CIE 1976 Uniform Chromaticity Scales (USC) mit vergrößerten Region <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Klicke hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Abbildung 7. Reflexion als eine Funktion der Winkel zwischen dem einfallenden Licht und Blickrichtungen, in der Ebene mit (rot) und senkrecht zur (schattiert) der Längsachse des distalen barbule: (A) Dominant-Wellenlänge, (B) Prozent Chroma (C ) Prozent Leuchtkraft. Die Farbschattierungen in Kurve A ist die RGB-Farbe des Reflexionsvermögen. Negative Werte stellen Wellenlänge Farben in den nicht-spektralen lila Dreieck. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Fig. 8" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" /> Abbildung 8. Average Directional Reflexionsgrad von distalen und proximalen barbules barbules zwischen zwei benachbarten rami der C. cupreus (African Smaragdkuckuck). <img alt="Abbildung 9" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" /> Abbildung 9. (A) Non-entzerrten Bild von Gantry-Lampe beleuchtet, (B) Non-entzerrten Bild von Blitz auf der Kamera leuchtet, (C) Gefiltert Zielkandidaten auf affine transformierten, Flash-ausgeleuchteten Bild (D) Acceptably scharfen Ziele innerhalb Tiefe Feld (E) Richt-Lampe beleuchteten Bildes, (F) gedreht Feder up, Spitze abgeschnitten und maskiert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> .

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Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Wir stellen eine zerstörungsfreie Methode zum Abtasten räumliche Variation in der Richtung des Lichts von strukturell komplexen Materialien verteilt. Indem das Material intakt bewahren wir grober Maßstab Streuverhalten, während gleichzeitig die Erfassung feinskaligen direktionale Beiträge mit hochauflösender Bildgebung. Die Ergebnisse sind in der Software visualisiert in biologisch relevanten Positionen und Personenwaagen.

Mess-und Richtungs räumlich variierenden Lichtstreuung aus biologischem Material

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

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12.4K Aufrufe.  Cornell University. Wir stellen eine zerstörungsfreie Methode zum Abtasten räumliche Variation in der Richtung des Lichts von strukturell komplexen Materialien verteilt. Indem das Material intakt bewahren wir grober Maßstab Streuverhalten, während gleichzeitig die Erfassung feinskaligen direktionale Beiträge mit hochauflösender Bildgebung. Die Ergebnisse sind in der Software visualisiert in biologisch relevanten Positionen und Personenwaagen.

Serie: Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from the inherent strong electron correlations that reside within them. These materials can also possess electronic phase separation in which regions of vastly different resistive and magnetic behavior can coexist within a single crystal alloy material. By reducing the scale of these materials to length scales at and below the inherent size of the electronic domains, novel behaviors can be exposed. Because of this and the fact that spin-charge-lattice-orbital order parameters each involve correlation lengths, spatially reducing these materials for transport measurements is a critical step in understanding the fundamental physics that drives complex behaviors. These materials also offer great potential to become the next generation of electronic devices 1-3. Thus, the fabrication of low dimensional nano- or micro-structures is extremely important to achieve new functionality. This involves multiple controllable processes from high quality thin film growth to accurate electronic property characterization. Here, we present fabrication protocols of high quality microstructures for complex oxide manganite devices. Detailed descriptions and required equipment of thin film growth, photo-lithography, and wire-bonding are presented.

We describe the use of pulsed laser deposition (PLD), photolithography and wire-bonding techniques to create micrometer scale complex oxides devices. The PLD is utilized to grow epitaxial thin films. Photolithography and wire-bonding techniques are introduced to create practical devices for measurement purposes.

Herstellung von räumlich getrennter komplexe Oxide

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Forschung

Ingenieurwesen

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is presented. The SANS shear cell consists of a concentric cylinder Couette geometry that is sealed and rotating about a horizontal axis so that the vorticity direction of the flow field is aligned with the neutron beam enabling scattering from the 1-2 plane of shear (velocity-velocity gradient, respectively). This approach is an advance over previous shear cell sample environments as there is a strong coupling between the bulk rheology and microstructural features in the 1-2 plane of shear. Flow-instabilities, such as shear banding, can also be studied by spatially resolved measurements. This is accomplished in this sample environment by using a narrow aperture for the neutron beam and scanning along the velocity gradient direction. Time resolved experiments, such as flow start-ups and large amplitude oscillatory shear flow are also possible by synchronization of the shear motion and time-resolved detection of scattered neutrons. Representative results using the methods outlined here demonstrate the useful nature of spatial resolution for measuring the microstructure of a wormlike micelle solution that exhibits shear banding, a phenomenon that can only be investigated by resolving the structure along the velocity gradient direction. Finally, potential improvements to the current design are discussed along with suggestions for supplementary experiments as motivation for future experiments on a broad range of complex fluids in a variety of shear motions.

A shear cell is developed for small-angle neutron scattering measurements in the velocity-velocity gradient plane of shear and is used to characterize complex fluids. Spatially resolved measurements in the velocity gradient direction are possible for studying shear-banding materials. Applications include investigations of colloidal dispersions, polymer solutions, and self-assembled structures.

Messwerkstoffgefüge unter Verwendung von Fluss 1-2 Flugzeug Flussneutronenkleinwinkelstreuung

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped crystallites. Neutrons are passed through two well defined regions of magnetic field; one before and one after the sample. The two magnetic field regions have opposite polarity and are tuned such that neutrons travelling through both regions, without being perturbed, will undergo the same number of precessions in opposing directions. In this case the neutron precession in the second arm is said to &#34;echo&#34; the first, and the original polarization of the beam is preserved. If the neutron interacts with a sample and scatters elastically the path through the second arm is not the same as the first and the original polarization is not recovered. Depolarization of the neutron beam is a highly sensitive probe at very small angles (&#60;50&#160;&#956;rad) but still allows a high intensity, divergent beam to be used. The decrease in polarization of the beam reflected from the sample as compared to that from the reference sample can be directly related to structure within the sample.
In comparison to scattering observed in neutron reflection measurements the SERGIS signals are often weak and are unlikely to be observed if the in-plane structures within the sample under investigation are dilute, disordered, small in size and polydisperse or the neutron scattering contrast is low. Therefore, good results will most likely be obtained using the SERGIS technique if the sample being measured consist of thin films on a flat substrate and contain scattering features that contains a high density of moderately sized features (30 nm to 5 &#181;m) which scatter neutrons strongly or the features are arranged on a lattice. An advantage of the SERGIS technique is that it can probe structures in the plane of the sample.

Progress has been made in utilizing spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) as a neutron scattering technique to probe the length-scales in irregular samples. Crystallites of [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester have been probed using the SERGIS technique and the results confirmed by optical and atomic force microscopy.

Mit Neutron Spin Echo Gelöste Grazing Incidence Scattering zur Untersuchung organischer Solarzellenmaterialien

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently. 
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches. 
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.

Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.

Die Messung der Streunichtlinearitäten von einem Einzel Plasmonische Nanopartikel

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor compression based cooling process. Nickel-Titanium (Ni-Ti) based alloy systems, especially, show large elastocaloric effects. Furthermore, exhibit large latent heats which is a necessary material property for the development of an efficient solid-state based cooling process. A scientific test rig has been designed to investigate these processes and the elastocaloric effects in SMAs. The realized test rig enables independent control of an SMA&#39;s mechanical loading and unloading cycles, as well as conductive heat transfer between SMA cooling elements and a heat source/sink. The test rig is equipped with a comprehensive monitoring system capable of synchronized measurements of mechanical and thermal parameters. In addition to determining the process-dependent mechanical work, the system also enables measurement of thermal caloric aspects of the elastocaloric cooling effect through use of a high-performance infrared camera. This combination is of particular interest, because it allows illustrations of localization and rate effects &#8212; both important for efficient heat transfer from the medium to be cooled.
The work presented describes an experimental method to identify elastocaloric material properties in different materials and sample geometries. Furthermore, the test rig is used to investigate different cooling process variations. The introduced analysis methods enable a differentiated consideration of material, process and related boundary condition influences on the process efficiency. The comparison of the experimental data with the simulation results (of a thermomechanically coupled finite element model) allows for better understanding of the underlying physics of the elastocaloric effect. In addition, the experimental results, as well as the findings based on the simulation results, are used to improve the material properties.

Experimental methods for investigation of solid state cooling processes and characterization of elastocaloric material properties of Shape Memory Alloys (SMA) are presented. A custom-built test rig has been designed for controlling and comprehensive monitoring of elastocaloric cooling processes. Furthermore, it provides a validation platform for thermomechanically coupled modeling approaches.

Experimentelle Methoden zur Untersuchung von Formgedächtnis-Based Elastocaloric Kühlprozesse und Modellvalidierung

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light scattering from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles. This protocol describes the SLSP platform and how it employs a 360&#176; rotational photodetector sensor that is scanned around an IOL sample while recording the intensity and location of scattered light as it passes through the IOL medium. The SLSP platform can be used to predict, non-clinically, the propensity for current and novel IOL designs and materials to induce light scatter. Non-clinical evaluation of light scattering properties of IOLs can significantly reduce the number of patient complaints related to unwanted glare, glistening, optical defects, poor image quality, and other phenomena associated with the unintended light scattering. Future studies should be conducted to correlate SLSP data with clinical results to help identify which measured light scatter is most problematic for patients that have undergone cataract surgery subsequent to IOL implantation.

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

This protocol describes the scanning light scattering profiler (SLSP) that enables the full-angle quantitative evaluation of forward and backward scattering of light from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles.

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) basierte Methodik zur quantitativen Bewertung von Vorwärts- und Rücklichtlichtstreuung aus Intraokularlinsen

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as aqueous solutions and biomaterials, with fast acquisition times. Here, we discuss the assembly and operation of a Brillouin spectrometer that uses stimulated Brillouin scattering (SBS) to measure stimulated Brillouin gain (SBG) spectra of water and lipid emulsion-based tissue-like samples in transmission mode with &lt;10 MHz spectral-resolution and &lt;35 MHz Brillouin-shift measurement precision at &lt;100 ms. The spectrometer consists of two nearly counter-propagating continuous-wave (CW) narrow-linewidth lasers at 780 nm whose frequency detuning is scanned through the material Brillouin shift. By using an ultra-narrowband hot rubidium-85 vapor notch filter and a phase-sensitive detector, the signal-to-noise-ratio of the SBG signal is significantly enhanced compared to that obtained with existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables measurement of SBG spectra with up to 100-fold faster acquisition times, thereby facilitating high spectral-resolution and high-precision Brillouin analysis of soft materials at high speed.

We describe the construction of a rapid continuous-wave-stimulated-Brillouin-scattering (CW-SBS) spectrometer. The spectrometer employs single-frequency diode-lasers and an atomic vapor notch-filter to acquire transmission spectra of turbid/non-turbid samples with high spectral-resolution at speeds up to 100-fold faster than those of existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables high-speed Brillouin material analysis.

High-Speed-Dauerstrich-stimulierten Brillouin-Streuung Spektrometer für Materialanalyse

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...

Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising from metallic periodic arrays without involving time-resolved techniques. We have formulated the rates by quantities that can be measured by simple optical measurements. The instrumentation based on angle- and polarization-resolved reflectivity and photoluminescence spectroscopy will be described in detail here. Our approach is intriguing due to its simplicity, which requires routine optics and several mechanical stages, and thus is highly affordable to most of the research laboratories.

This protocol describes the instrumentation for determining the excitation and coupling rates between light emitters and Bloch-like surface plasmon polaritons arising from periodic arrays.

Bestimmung der Erregung und Kupplung zwischen Lichtemittern und Oberflächen Plasmon Polaritonen

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising ...

Synchrotron X-ray Microdiffraction and Fluorescence Imaging of Mineral and Rock Samples

In this report, we describe a detailed procedure for acquiring and processing&#160;x-ray microfluorescence (&#956;XRF), and Laue and powder microdiffraction two-dimensional (2D) maps at beamline 12.3.2 of the Advanced Light Source (ALS), Lawrence Berkeley National Laboratory. Measurements can be performed on any sample that is less than 10 cm x 10 cm x 5 cm, with a flat exposed surface. The experimental geometry is calibrated using standard materials (elemental standards for XRF, and crystalline samples such as Si, quartz, or Al2O3 for diffraction). Samples are aligned to the focal point of the x-ray microbeam, and raster scans are performed, where each pixel of a map corresponds to one measurement, e.g., one XRF spectrum or one diffraction pattern. The data are then processed using the in-house developed software XMAS, which outputs text files, where each row corresponds to a pixel position. Representative data from moissanite and an olive snail shell are presented to demonstrate data quality, collection, and analysis strategies.

We describe a beamline setup meant to carry out rapid two-dimensional x-ray fluorescence and x-ray microdiffraction mapping of single crystal or powder samples using either Laue (polychromatic radiation) or powder (monochromatic radiation) diffraction. The resulting maps give information about strain, orientation, phase distribution, and plastic deformation.

Synchrotron Röntgenstrahl Microdiffraction und Fluoreszenz-Bildgebung von Mineral- und Gesteinsproben

In this report, we describe a detailed procedure for acquiring and processing&#160;x-ray microfluorescence (&#956;XRF), and Laue and powder ...

Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, with its peak locomotion speed reaching 150 cm/s. First of all, we observed the microstructure and hierarchy of water strider legs using the scanning electron microscope. On the basis of the observed morphology of the legs, a theoretical model of the detachment from water surface was established, which explained water striders' capability to slide on water surface effortlessly in terms of energy reduction. Secondly, a dynamic force measurement system was devised using the PVDF film sensor with excellent sensitivity, which could detect the whole interaction process. Subsequently, a single leg in contact with water was pulled upward at different speeds, and the adhesion force was measured at the same time. The results of the departing experiment suggested a deep understanding of the fast jumping of water striders.

The protocol here is dedicated to investigating the free and quick maneuvering of water strider on water surface. The protocol includes observing the microstructure of legs and measuring the adhesion force when departing from water surface at different speeds.

Messung der dynamischen Kraft gehandelt auf Wasser Strider Bein nach oben springen, indem Sie die PVDF Film Sensor

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, ...