TRIZ剪裁思想在科学研究中的应用*

屈 瑜 王勇凯 王天堃 张永元 张中月

(陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710119)

TRIZ剪裁思想在科学研究中的应用*

屈 瑜 王勇凯 王天堃 张永元 张中月

(陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710119)

剪裁是现代TRIZ理论体系里的一个非常重要的分析问题工具.在技术领域，利用剪裁产生新问题，解决新问题以解决项目的初始问题.在介绍剪裁工具基本思想的基础上，综述了其在圆二色性研究中的具体体现.将使读者切实感受到剪裁在科学研究中的存在，自觉应用TRIZ剪裁思想将有助于提高创新速度.

TRIZ 剪裁 表面等离激元学 圆二色性

1 引言

TRIZ意译为发明问题解决理论，是前苏联学者根里奇·阿奇舒勒及他的同事在分析了20万份专利的基础上提出的.TRIZ理论成功揭示了创造发明的内在规律和原理，不是采取折衷或者妥协的做法，而是着力解决系统中的矛盾问题，获得最终理想解.TRIZ理论是目前被证实有效的创新方法.剪裁是一种现代TRIZ理论中分析问题的工具，是指将一种或一个以上的系统组件去掉，而将其所执行的有用功能利用系统或超系统的剩余组件代替的方法.通常选择那些剪裁后对系统改善最大或是有缺点的组件.剪裁程度可以是激进式的也可以是渐进式的，具体看项目限制.剪裁作为现代TRIZ理论体系里的一个非常重要的部分，是区别于经典TRIZ理论的一个重要工具.

剪裁有3条规则[1].假设图1中一个功能的载体对功能的对象执行了一定的功能.

图1 功能的表述

剪裁规则A：如果功能的对象被剪裁，那么功能的载体就可被剪裁.例如，白炽灯的玻璃罩的功能是隔绝罩内真空环境和罩外空气，功能的载体是玻璃罩，功能的对象是罩内的真空环境，保持的参数为罩内的真空度，对于在宇宙飞船上的白炽灯来说，功能的对象真空环境是普遍存在的，那么作为功能载体的玻璃罩就没有必要存在了，况且玻璃罩在起飞和着陆的时候容易破碎，因此玻璃罩就可以被剪裁掉.

剪裁规则B：如果功能的对象自己可以执行这个功能，那么功能载体可以被剪裁掉.例如，眼镜可以把镜框、镜腿、鼻托、螺丝等系统组件都裁剪掉，只保留镜片，将其变身为隐形眼镜，仍可执行眼镜的功能.

剪裁规则C：如果能从系统或者超系统中找到另外一个组件执行该功能，那么功能的载体是可以被剪裁掉的.例如，汽车上独立的气囊盖是用来存储安全气囊的，气囊盖是功能载体，安全气囊是功能的对象，保持的参数是气囊的位置，在这里我们用汽车的方向盘执行气囊盖的功能(存储气囊)，所以独立的气囊盖就可以被剪裁掉了.

剪裁可以帮助人们分析问题，产生新问题，确定解决初始问题的新方向，突破思维障碍，打破思维定势，以新的视角分析问题，加快创新的进程，提高研发项目的成功率.

2 剪裁思想在科学研究中的应用

在科学研究中，某种机理的产生往往需要多种必备的要素(功能)，但是，这些要素在具体环境下的实现难度是不同的.要素意味着功能.利用剪裁思想，剪裁掉在具体环境下不容易实现或操控的要素，并将该要素的功能转移给其他要素，这样不仅会降低系统成本，而且会提升研究者对这种机理的认识.剪裁与常规思维方式不一样，它不是通过修复有问题的组件来解决问题，而是将有问题的组件去掉，然后解决去掉组件后产生的新问题.解决了剪裁带来的新问题意味着创新，剪裁的程度越大，则创新的水平也越高.

在实际应用中，首先分析产生新机理的文献，确定了研究问题后，深入分析问题的类型，找出文献描述的系统中所有组件，分析组件的功能，用功能语言描述所研究的问题.应用裁剪思想，剪裁掉某些组件，用其他组件来完成它所执行的功能.将裁剪后的模型重新描述分析，将会得到一系列新的问题.解决新问题将会在不同环境下产生基于相同机理的新现象.

3 表面等离激元和圆二色性简介

表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是存在于金属和介质界面处的电磁表面波.由于其独特的性质和可观的应用前景，近年来受到了大量的关注，逐渐发展成为一个学科,称为表面等离激元学(Plasmonics).表面等离激元可以分为传播的表面等离激元(表面等离极化激元)和不传播的表面等离激元(局域表面等离激元).SPPs具有很多新效应和新应用，例如透射增强效应、选择性光吸收、电场强束缚等.SPPs独特的光学性质使其受到了物理学、光学、材料科学、纳米科技等研究领域的广泛关注[2～4].手性指的是结构不能与其镜像结构重合的性质，圆二色性[Circular dichroism (CD)]是检测手性结构的一种方法.圆二色性指的是手性结构对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光(left-and right-handed circular polarizations,LCP and RCP)吸收不同的性质.手性结构普遍存在于大自然中，手性在生物化学和生命进化中起着关键的作用.一般手性分子的圆二色性在紫外光波段非常微弱，不利于生物医学和药物学的实际信号检测[5～7].近年来，研究者利用手性等离激元纳米结构，通过其与光相互作用产生的SPPs使生物分子圆二色性响应增强，其独特的光学性质通常用在光电子器件转换圆偏振光[8]以及生物分子分析中[9].

4 剪裁思想在圆二色性研究中的应用

一般来讲，产生手性的必要条件是交叉非对称的电偶极子，两个电偶极子具有相位差，如图2所示.存在一定空间角度的上下两个金属棒结构可以产生CD信号[10].用TRIZ语言描述即：系统中的组件有上金属棒、下金属棒、中间空气介质层；超系统组件有入射光.上、下棒的功能是产生局域电子振动，中间空气介质层的功能是产生相位差.

图2 产生圆二色性的交叉棒模型

下面将用裁剪工具分析圆二色性产生的问题，以期产生新的想法.

(1)原交叉棒结构在垂直光入射方向上具有一定的高度差，以此来产生相位差.如果将两棒置于一个平面内(没有高度差)，将产生相位差的原因给超系统组件(入射光).如果能解决入射光导致相位差的问题，那么就能够产生CD.研究表明单层结构在斜入射下可以激发CD效应.当纳米棒二聚体放置在倾斜入射光下，大纳米棒上的电偶极子与小金属棒上的电偶极子振荡路径不平行.大小金属棒之间出现了相位差，这个差异形成了手性性质[11].在这里，用的是剪裁规则C，用超系统中的光倾斜照射平面结构，以此来执行上下两棒产生相位差的功能，也就是说上下金属棒就可被剪裁掉.这样就可以制备单层结构而非双层金属棒，使其在实际应用中更广泛.

(2)当剪裁掉中间空气介质层后，应用其他结构将两个偶极子振动(两根棒上的振动)连接起来，从而形成3D手性结构，包括多种金属螺旋材料和多层手性金属结构，形成较强的光学CD效应[12].当银纳米螺旋在LCP和RCP的入射下，相邻偶极子之间耦合形成CD.这里用到的是剪裁规则A.

(3)应用剪裁工具中的规则B，我们小组将中间空气层剪裁掉，用系统的两个棒本身执行产生相位差的功能，设计了具有高度差的L型结构并在实验上成功制得这种结构，利用结构本身的高度差在垂直光的照射下产生的相位差来产生CD.应用有限元COMSOL数值算法和实验研究了其在LCP和RCP的激发下的不同光学响应，结合超手性电磁场分布并探索了其产生CD的机制.该文章于2016年发表在国际期刊“Optics Express”[13].

(4)应用剪裁工具中的规则C，我们引入不同介质层来执行产生相位差的功能以实现CD效应.将中间的空气层变成3层的介质-金属-介质，通过中间金属层的作用，可以有效实现间接耦合从而提高结构手性，如图3所示.该方法已经通过计算机模拟证实并已撰写文章，于2016年发表在国际期刊“Journal of Physics D: Applied Physics”[14].

图3 加入多层介质的手性结构

另外，借鉴剪裁规则B的思想，如果结构自身可以执行产生相位差这一功能，中间的空气介质层可以被剪裁掉.我们将平面结构倾斜一定的角度，并已在实验上成功制得该结构，如图4所示.该结构对于垂直照射的LCP和RCP入射光的不同的响应就会产生CD效应.此外，还可以借鉴剪裁规则C的思想，用各向异性介质层来执行产生相位差，从而激发出更有趣的CD效应.

图4 倾斜U型结构

5 结论

本文应用TRIZ裁剪工具详细分析了微纳米光子学中圆二色性结构的设计过程.这些结果说明剪裁思想在圆二色性产生的研究过程中的重要作用，不仅是对已有事实的陈述，而且也是产生具有创造性的新概念、实现光学研究的快速创新，验证了TRIZ理论在科学研究中的适应性及有效性.将TRIZ方法引入到某些科学研究领域中，能够帮助研究者更加快速地产生科学创新设计和方案，从而加快创新过程，提升创新效率.

1 孙永伟，谢尔盖·伊克万科．TRIZ打开创新之门的金钥匙．北京：科学出版社，2015．79～98

2 M. ohtsu, K. Kobayashi, K. Kawazoe, et al. Nanoph- otonics: design, fabrication, and operation of nanometr- ic devices using optical near fields. IEEE J. Sel. Top. Quant., 2002, 8(4): 839～862

3 W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen. Surf- ace plasmon subwavelength optics. Nature, 2003, 424(6 950): 824～830

4 A. V. Zayats, and I. I. Smolyaninov. Near-Field Phot- onics: Surface Plasmon Polaritons and Localized Surface Plasmons. J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2003, 5(4): S16～S50

5 S. M. Kelly, T. M. Jess, and N. C. Price. How to study proteins by circular dichroism. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Proteins and Proteomics, 2005, 1751(2): 119～139

6 M. Takezaki, and Y. Kito. Circular dichroism of rhodopsin and isorhodopsin. Nature, 1967, 1197～1199

7 A. Kuzyk, R. Schreiber, Z. Fan, et al. DNA-based self-assembly of chiral plasmonic nanostructures with tailored optical response. Nature, 2012, 483(7389): 311～314

8 J. K. Gansel, M. Thiel, et al. Gold helix photonic metamaterial as broadband circular polarizer. Science, 2009, 325(5947): 1513～1515

9 E. Hendry, T. Carpy, J. Johnston, et al. Ultrasensit- ive detection and characterization of biomolecules using superchiral fields. Nat. Nanotechnology, 2010, 5(11): 783～787

10 X. H. Yin, M. Schäferling, B. Metzger, et al. Inter- preting chiral nanophotonic spectra: the plasmonic Born-Kuhn model. Nano Lett., 2013,13(12): 6238～6243

11 X. X. Lu, J. Wu, Q.N. Zhu, et al. Circular dichroi- sm from single plasmonic nanostructures with extrinsic chirality. Nanoscale, 2014, 6(23): 14244～14253

12 C. Song, M. G. Blaber, G. Zhao, et al. Tailorable plasmonic circular dichroism properties of helical nanoparticle superstructures. Nano Lett., 2013, 13(7): 3256～3261

13 Y. K. Wang, J. C. Deng, G. Wang, et al. Plasmonic chirality of L-shaped nanostructure composed of two slices with different thickness. Opt. Express, 2016, 24(3): 2307～2317

14 Y. K. Wang, X. J. Wen, Y. Qu, et al. Direct and indirect coupling mechanisms in a chiral plasmonic system. J. Phys. D: Appl. Phys., 2016, 49(40): 405104

*国家自然科学基金，项目编号:61575117；中央高校基本科研业务费专项基金,项目编号：GK201601008；陕西师范大学研究生培养创新基金,项目编号：2015CXS033

屈瑜(1992- )，女，在读硕士研究生，主要从事微纳米光子学方面的学习与研究.

指导教师：张中月(1975- )，男，博士，教授，主要从事微纳米光子学方面的研究.

2016-10-28)