基于蝴蝶表面結(jié)構(gòu)的仿生研究

陳永續(xù) ,劉國敏

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,吉林長春 130118)

0 引言

隨著科技水平的不斷提高以及人們對仿生學(xué)研究的更加深入,生物仿生自誕生以來受到人們廣泛的關(guān)注。蝴蝶作為仿生學(xué)科中的一份子,其獨特的結(jié)構(gòu)形式與優(yōu)異的特性深受人們的喜愛,因此國內(nèi)外學(xué)者和專家團(tuán)隊對蝴碟翅膀表面結(jié)構(gòu)及其光學(xué)特性、氣敏特性和光熱轉(zhuǎn)換特性分別展開研究。蝴碟翅膀表面結(jié)構(gòu)雖是新興的光學(xué)領(lǐng)域,但在各個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值,廣泛應(yīng)用于保溫、防偽、軍事、電池等領(lǐng)域,希望通過在這些領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步延伸到墻體保溫的領(lǐng)域,從而滿足人們對保溫的需求。

1 對蝴碟翅膀表面結(jié)構(gòu)的研究

自然界中的萬物遵循“優(yōu)勝劣汰,適者生存”的準(zhǔn)則。生物的特性與其表面結(jié)構(gòu)息息相關(guān),蝴蝶作為自然界中最受歡迎的昆蟲種類之一,蝴蝶翅膀表面分布了很多光子晶體等微觀結(jié)構(gòu),其表面微觀結(jié)構(gòu)使蝴蝶翅膀具備優(yōu)異的光學(xué)特性、氣敏特性以及光熱轉(zhuǎn)換特性,這也使蝴蝶成為仿生學(xué)科的一大熱門[1]。國內(nèi)外眾多學(xué)者和研究團(tuán)隊對蝴碟翅膀表面結(jié)構(gòu)展開研究,在蝴碟翅膀鱗片上存在很多復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu),包括脊、肋、薄層、微翅脈等。

蝴蝶的結(jié)構(gòu)特征也是多種多樣,蝴碟翅膀鱗片的結(jié)構(gòu)特征有形態(tài)、密度、尺寸、排列和分布方式等。因此對蝴蝶翅膀的微觀結(jié)構(gòu)及其表面形貌展開了大量研究。尤其是最近幾年國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點主要是對蝴碟翅膀鱗片微觀結(jié)構(gòu)及其陷光結(jié)構(gòu)的研究[2]。

早在20世紀(jì)50年代,Anderson和Richards[3]首次用電子顯微鏡觀察蝴蝶翅膀,看到蝴蝶翅膀表面由很多厚度為200 nm的翼組成。

在微觀結(jié)構(gòu)的排列方式上,Berthier S等[4]提出蝴蝶鱗翅上的微結(jié)構(gòu)是由脊進(jìn)行周期排列形成的光柵結(jié)構(gòu),而脊是由一些厚度均勻的薄層疊加而成。

吉林大學(xué)的任露泉等[5]教授用透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM),結(jié)合理論與試驗研究蝴蝶鱗翅的微納結(jié)構(gòu)。

邱兆美[6]通過掃描電鏡觀察蝴蝶翅膀鱗片的橫截面,發(fā)現(xiàn)脊脈結(jié)構(gòu)分布在鱗片表面,鱗片是由多層結(jié)構(gòu)的薄片組成,鱗片的表面結(jié)構(gòu)相對簡單,其表面形成了一定的凹坑。

宋國芬[7]提出鱗片中最重要的結(jié)構(gòu)單元是脊,由于被折疊成重疊的片層狀肋,充當(dāng)多層反射器。依據(jù)層狀肋和下側(cè)所形成的角度,該組中的微結(jié)構(gòu)可分為2類:平行(S21和S23)和非平行(S22)脊-片層狀肋結(jié)構(gòu)。

在鱗片的表面結(jié)構(gòu)特征上,房巖等[8]按鱗片的形狀大小和排列密度對蝴蝶翅膀表面進(jìn)行分類。鱗片主要有窄葉形、闊葉形、圓葉形、紡錘形(圖1)4種形狀。鱗片按覆瓦狀排列,其表面結(jié)構(gòu)由納米級的肋(或槽)及柱狀結(jié)構(gòu)組成,每個溝槽或縱肋間距1.0～2.7 μm。

圖1 蝴蝶鱗片的形狀[8]

在蝴蝶翅膀鱗片的形態(tài)上,張沙沙[9]提出蝴蝶翅膀均由100～300 μm的鱗片層疊排列而成,鱗片全部呈倒伏狀由前往后排列,排列緊湊有序,鱗片與翅膀之間存在一定的角度。

曹艷波[10]提出蝴蝶翅膀鱗片形態(tài)各異、扁平開闊,有些鱗片前端與翅膀結(jié)合端較窄,后端較寬形狀像盾牌,鱗片與翅膀不在一條直線上,各排鱗片之間有一部分相互重疊,而有些鱗片前后端寬度一樣。在低倍顯微鏡下,能夠清楚看到鱗片均勻的排列在蝴蝶翅面。

在宏觀形態(tài)的分析上,對蝴蝶翅膀鱗片表面結(jié)構(gòu)的形狀,每位學(xué)者都有自己獨到的見解。韓志武等[11]通過SEM發(fā)現(xiàn)蝴蝶鱗片就像屋脊上的瓦片一樣排列的十分整齊,鱗片上的脊脈結(jié)構(gòu)都與表面平行,蝴蝶翅面局部按覆瓦狀疊加分布,翅面能看到2種形態(tài)的鱗片(圖2),鱗片的表面都密布著縱向的脊脈結(jié)構(gòu)。

圖2 蝴蝶鱗片SEM圖[11]

王龍等[12]認(rèn)為蝴蝶后翅鱗片下層基鱗形似扁平扇狀,基鱗表面由橫向交錯的短肋和豎向分布的脊脈結(jié)構(gòu)構(gòu)成,形成了一種多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)見圖3(e)、圖3(f)。多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)可提高太陽能轉(zhuǎn)換效率,還能應(yīng)用到太陽能電池領(lǐng)域。

蝴蝶翅膀表面陷光結(jié)構(gòu)通過不斷的反射、折射、和散射作用,把入射進(jìn)來的光線反射到各個角度,使光在墻體的光程變長,降低其表面的反射率,提高了光子晶體的吸熱率,使建筑物的保溫隔熱性能更好[2]。

2 蝴蝶翅膀表面結(jié)構(gòu)的特性及其仿生應(yīng)用

2.1 蝴蝶翅膀表面的光學(xué)特性及其仿生應(yīng)用研究

2.1.1 蝴蝶翅膀鱗片的結(jié)構(gòu)色

在自然界中,結(jié)構(gòu)色是普遍存在的一種現(xiàn)象,很多物種在進(jìn)化的過程中會形成其獨特的結(jié)構(gòu)色,蝴蝶翅膀鱗片的結(jié)構(gòu)色源自蝴蝶翅膀表面微觀結(jié)構(gòu)的特殊光學(xué)效應(yīng),蝴蝶翅膀獨特的結(jié)構(gòu)色引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。早在1999年VuKusic等[13]針對蝴蝶翅膀整塊鱗翅和單個鱗片的反射特性作了檢測,通過實驗證實了蝴蝶鱗翅上的微納結(jié)構(gòu)可發(fā)出耀眼的藍(lán)色光芒。

2005年伍一軍等[14]發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀顏色雖是黃、藍(lán)色,卻給人一種發(fā)綠的感覺。這是由于光線被蝴蝶翅膀上的微型小坑反射,小坑的尺寸大概有4 μm,肉眼無法將四周反射的藍(lán)色光區(qū)與坑底反射的黃色光區(qū)分開,所以給人一種綠色的錯覺。

Kinoshita S等[15]在2008年提出蝴蝶翅膀鱗片的結(jié)構(gòu)色主要來自底層鱗片,通過TEM圖(圖4)發(fā)現(xiàn)底層鱗片的微納結(jié)構(gòu)呈周期排列的樹狀,此結(jié)構(gòu)決定蝴蝶翅膀的結(jié)構(gòu)色。

圖4 底層鱗片透射電鏡[15]

2012年于奎龍等[16]提出由色素沉積形成的深坑結(jié)構(gòu)坑底,二維光子晶體由空氣柱形成,其禁帶落在綠色光波區(qū)。由于光子晶體的局部作用,綠光只能沿空氣柱軸向傳播。使綠色反射光發(fā)射充分,蝴蝶翅膀的亮度被提高,幾丁質(zhì)層將光子晶體板傳出的綠光迅速反射回去,提高了綠光的出射效率。

同年,夏奇等[17]通過對蝴蝶翅膀鱗片的仿生發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色主要來源于多層膜的干涉作用,其蝴蝶翅膀表面微納結(jié)構(gòu)的上層薄片能提高結(jié)構(gòu)的反射率。

王龍等[12]表明由多層膜結(jié)構(gòu)相長干涉的單色反射光形成蝴蝶翅膀鱗片的顏色。當(dāng)相同光束照射凹坑型膜系結(jié)構(gòu),會在側(cè)面和底面形成不同的結(jié)構(gòu)色。鱗片顏色由結(jié)構(gòu)形態(tài)與特征尺寸共同決定,對填充介質(zhì)、光線入射角度等外界因素也有敏感變色現(xiàn)象。

2.1.2 蝴蝶翅膀表面結(jié)構(gòu)色在防偽領(lǐng)域的應(yīng)用

Mathias Kolle[18]仿制蝴蝶翅膀鱗片表面結(jié)構(gòu),采用自組裝和原子層沉積(ALD)模擬制作出多層半球形凹坑膜,凹坑膜調(diào)制入射光線,在高倍顯微鏡下觀察,凹坑周圍會出現(xiàn)圓環(huán)圖案,圖案的顏色決定膜的厚度和圖案的位置,這種人造結(jié)構(gòu)可在防偽中應(yīng)用。

目前烏維西等[19]正在探索仿照蝴蝶翅膀表面的結(jié)構(gòu)形式,如何讓錢幣或信用卡上布滿小坑,無論偽造者把假幣表面制作得多么逼真,也無法讓假幣布滿小坑,從而讓假幣在生活中消失。

2.1.3 蝴蝶翅膀表面結(jié)構(gòu)色在雷達(dá)隱身領(lǐng)域的應(yīng)用

雷達(dá)隱身技術(shù)是目前發(fā)展最快最受人關(guān)注的隱身技術(shù)。飛行器外形隱身設(shè)計的重點是應(yīng)用蝴蝶翅膀表面的陷光特性,蝴蝶翅膀表面結(jié)構(gòu)可減少雷達(dá)散射波,并同時降低對飛行器雷達(dá)吸波材料涂覆的影響[20]。角偏特性是蝴蝶翅膀最常見的特性,結(jié)構(gòu)只要具備這種特性就能應(yīng)用到飛機(jī)和武器裝備的隱身設(shè)計中[21]。

南京航空航天大學(xué)的何小祥等[22]對蝴蝶鱗翅微納結(jié)構(gòu)的電磁反射及其原理進(jìn)行探究,應(yīng)用時域有限差分法和外延表面技術(shù),通過仿生原理制造新型吸波材料。把這種新型涂料應(yīng)用到飛機(jī)與游艇的隱身設(shè)計,使系統(tǒng)的整體性能得到優(yōu)化。

光子晶體結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代雷達(dá)的應(yīng)用中扮演十分重要的角色。比如可以設(shè)計寬頻帶濾波器、寬頻帶反射器、高性能微帶天線、天線防護(hù)罩等[23]。伴隨著更加深入研究分析蝴蝶翅膀微結(jié)構(gòu)的一維多層光子晶體結(jié)構(gòu),通過縮比原理在其基礎(chǔ)上制作X波段仿生結(jié)構(gòu),寬帶濾波功能通過X波段得到進(jìn)一步突破[24]。

2.2 蝴蝶翅膀表面的氣敏特性及其仿生應(yīng)用研究

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,空氣質(zhì)量日趨下滑。傳統(tǒng)的氣體傳感器靈敏度不高,因此尋找新型的氣體傳感器成為當(dāng)前的急切需求,蝴蝶翅膀表面微觀結(jié)構(gòu)對外界氣體有較高的敏感特性,因此國內(nèi)外的學(xué)者和專家團(tuán)隊針對蝴蝶鱗片的氣敏性展開研究。

楊盟[25]通過對比分析典型蝴蝶鱗翅對外界環(huán)境敏感性,找出敏感性較強(qiáng)的蝴蝶翅膀結(jié)構(gòu);研究其對液體、氣體的敏感特性及機(jī)理,通過試驗制備仿蝴蝶鱗翅結(jié)構(gòu),說明導(dǎo)致氣體敏感的源由是蝴蝶鱗翅的多層結(jié)構(gòu)。

Potyrailo等[26]證實蝴蝶鱗翅結(jié)構(gòu)對氣體存在高度的選擇性,當(dāng)蝴蝶鱗翅結(jié)構(gòu)被氣體分子填充,由于物理吸附等作用,蒸汽發(fā)生凝結(jié),納米薄膜在蝴蝶鱗翅表面與間隙之間形成。

蝴蝶翅膀鱗片作為一種光子晶體,不僅有較強(qiáng)的光敏特性,而且對周圍環(huán)境也有很強(qiáng)的敏感特性。W.J.Wu等[27]在2012年提出蝴蝶翅膀鱗片對周圍環(huán)境具有敏感性,同時顏色會隨之發(fā)生變化。2013年Radislav A. Potyrailo等[28]證實蝴蝶翅膀鱗片結(jié)構(gòu)具有極性梯度,位置不同,所吸收的氣體分子也不同。

王正龍等[29]通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀表面結(jié)構(gòu)在不同氣體環(huán)境下表現(xiàn)不同,蝴蝶翅膀微納結(jié)構(gòu)在不同折射率和不同揮發(fā)性液體環(huán)境下所呈現(xiàn)的顏色不同。若能把此結(jié)構(gòu)應(yīng)用到氣體檢測,將會掀起氣體檢測的狂潮。

2.3 蝴蝶翅膀表面光熱轉(zhuǎn)換特性及其仿生應(yīng)用研究

隨著仿生學(xué)的興起,人們對蝴蝶的研究更加深入,因此把目光轉(zhuǎn)向蝴蝶翅膀表面及其光熱轉(zhuǎn)換特性,所謂的光熱轉(zhuǎn)換就是指蝴蝶翅膀表面陷光結(jié)構(gòu)對光的吸收,并進(jìn)一步把光能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。光熱轉(zhuǎn)換由于長時間的演變,光熱轉(zhuǎn)換率也不斷提高[30]。為了進(jìn)一步提高光熱轉(zhuǎn)化效率,國內(nèi)外學(xué)者分別對其展開深入研究,通過對光熱轉(zhuǎn)換過程的優(yōu)化,進(jìn)一步應(yīng)用到墻體保溫和太陽能電池領(lǐng)域。

2.3.1 蝴蝶翅膀鱗片的光熱轉(zhuǎn)換特性

2004年Gralak,Plattner[31],Berthier和Banerjee等通過對不同角度仿真與試驗,研究蝴蝶翅膀的光學(xué)特性。

2006年浙江大學(xué)的Huang J Y等[32]采用ALD工藝,在蝶翅表面沉淀出一層均勻且厚度可控的氧化鋁薄膜,對蝴蝶鱗片進(jìn)行高溫消除,最后可得到蝴蝶鱗片反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),通過實驗證明蝴蝶翅膀與該材料有相似的光學(xué)特性。

2011年左海波[33]認(rèn)為入射光線射到蝴蝶鱗翅表面的微納結(jié)構(gòu)時,其微納結(jié)構(gòu)會對光線產(chǎn)生散射、衍射等光學(xué)效應(yīng);在特定環(huán)境下,鱗翅周圍的氣體分子會迅速擴(kuò)散并充滿整個環(huán)境,并在蝴蝶鱗翅表面鋪上一層薄膜,使其光學(xué)特性發(fā)生改變。

2014年牛士超[34]提出脊脈結(jié)構(gòu)可將鱗片所吸收的熱量傳至全身,用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對單個鱗片的顯微結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測量,蝴蝶鱗片表面微結(jié)構(gòu)實際是一種收集光的器件。

2019年穆正知[35]提出蝴蝶鱗翅的類蜂窩及層疊板狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)衍射效應(yīng),使蝴蝶表面結(jié)構(gòu)對光的吸收效率變高,顯現(xiàn)出其優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換特性。當(dāng)表面有多波長的自然光照入,由幾丁質(zhì)層和空氣層組成的脊脈多層米結(jié)構(gòu)發(fā)揮多縫衍射和反射光柵作用。

2.3.2 蝴蝶翅膀表面光熱轉(zhuǎn)換特性的應(yīng)用

蝴蝶翅膀表面陷光結(jié)構(gòu)可提高光熱轉(zhuǎn)換效率。牛志超[34]提出提高太陽能效率的有效途徑就是陷光結(jié)構(gòu),光能利用和保溫墻板的急切需求就是尋找優(yōu)異的陷光結(jié)構(gòu)。

潘恒等[36]提出陷光結(jié)構(gòu)可使光的衍射和散射效果變強(qiáng)、增長光的傳播路徑、減少入射光的干涉相消現(xiàn)象,使太陽光的吸收利用率變高,提高太陽能轉(zhuǎn)化效率。研究表明器件的光學(xué)性能是由納米陷光結(jié)構(gòu)來優(yōu)化。

陷光結(jié)構(gòu)是太陽能電池中不可或缺的元素,王迪[37]提出陷光結(jié)構(gòu)可優(yōu)化光線在太陽能電池的內(nèi)部光程,提高光吸收的上限,提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,在電池越來越輕薄的時代,陷光結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

李紅恩[38]提出一種陷光結(jié)構(gòu),其前表面為Sio2納米球,后表面為Ag半球的復(fù)合結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)不僅能提升非晶硅薄膜太陽能電池在寬光譜范圍內(nèi)的吸收,還能提高太陽能電池的短路電流密度。

Hangsoon Cho與Jung-Yong Lee[39]模擬分析微透鏡陣列和高反射鏡陣列陷光結(jié)構(gòu)、V 型與雙拋物面的陷光結(jié)構(gòu),研究結(jié)果表明,應(yīng)用在聚合物太陽能電池時,入射光被采用雙拋物面的新型陷光結(jié)構(gòu)完全捕獲在2個拋物面光伏電池之間,使電池轉(zhuǎn)化效率變高。

Hoyeon Kim等[40]把微透鏡陷光結(jié)構(gòu)應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池外表面的塑料薄膜,并從理論和實踐角度研究隨機(jī)結(jié)構(gòu)的薄膜微透鏡和“V”型薄膜微透鏡陷光結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能。研究結(jié)果顯示,采用隨機(jī)結(jié)構(gòu)的薄膜微透鏡陷光結(jié)構(gòu),可增加入射光的總光程。

3 結(jié)論

蝴蝶作為仿生領(lǐng)域的新秀,其獨特的表面結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的特性奪得人們的喜愛,因此專家們深入研究蝴蝶翅膀表面結(jié)構(gòu)及其光學(xué)特性、氣敏特性和光熱轉(zhuǎn)換特性。通過對蝴蝶深入研究給人以啟迪,蝴蝶給人們帶來的啟示大大促進(jìn)了科技的發(fā)展。

蝴蝶翅膀獨特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的特性早已為人所用,并廣泛應(yīng)用于材料、防偽、紡織、軍事、電池等領(lǐng)域,其表面陷光結(jié)構(gòu)在太陽能電池中應(yīng)用,希望可進(jìn)一步延伸到墻體保溫,從而滿足人們對保溫的需求。隨著人們對仿生研究的不斷深入,相信在未來的建筑中,仿生結(jié)構(gòu)能給人們帶來無盡的驚嘆。