基于蝴蝶表面结构的仿生研究

陈永续 ,刘国敏

(吉林建筑大学土木工程学院,吉林长春 130118)

0 引言

随着科技水平的不断提高以及人们对仿生学研究的更加深入,生物仿生自诞生以来受到人们广泛的关注。蝴蝶作为仿生学科中的一份子,其独特的结构形式与优异的特性深受人们的喜爱,因此国内外学者和专家团队对蝴碟翅膀表面结构及其光学特性、气敏特性和光热转换特性分别展开研究。蝴碟翅膀表面结构虽是新兴的光学领域,但在各个领域有广泛的应用价值,广泛应用于保温、防伪、军事、电池等领域,希望通过在这些领域的应用进一步延伸到墙体保温的领域,从而满足人们对保温的需求。

1 对蝴碟翅膀表面结构的研究

自然界中的万物遵循“优胜劣汰,适者生存”的准则。生物的特性与其表面结构息息相关,蝴蝶作为自然界中最受欢迎的昆虫种类之一,蝴蝶翅膀表面分布了很多光子晶体等微观结构,其表面微观结构使蝴蝶翅膀具备优异的光学特性、气敏特性以及光热转换特性,这也使蝴蝶成为仿生学科的一大热门[1]。国内外众多学者和研究团队对蝴碟翅膀表面结构展开研究,在蝴碟翅膀鳞片上存在很多复杂的微纳结构,包括脊、肋、薄层、微翅脉等。

蝴蝶的结构特征也是多种多样,蝴碟翅膀鳞片的结构特征有形态、密度、尺寸、排列和分布方式等。因此对蝴蝶翅膀的微观结构及其表面形貌展开了大量研究。尤其是最近几年国内外学者研究的热点主要是对蝴碟翅膀鳞片微观结构及其陷光结构的研究[2]。

早在20世纪50年代,Anderson和Richards[3]首次用电子显微镜观察蝴蝶翅膀,看到蝴蝶翅膀表面由很多厚度为200 nm的翼组成。

在微观结构的排列方式上,Berthier S等[4]提出蝴蝶鳞翅上的微结构是由脊进行周期排列形成的光栅结构,而脊是由一些厚度均匀的薄层叠加而成。

吉林大学的任露泉等[5]教授用透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM),结合理论与试验研究蝴蝶鳞翅的微纳结构。

邱兆美[6]通过扫描电镜观察蝴蝶翅膀鳞片的横截面,发现脊脉结构分布在鳞片表面,鳞片是由多层结构的薄片组成,鳞片的表面结构相对简单,其表面形成了一定的凹坑。

宋国芬[7]提出鳞片中最重要的结构单元是脊,由于被折叠成重叠的片层状肋,充当多层反射器。依据层状肋和下侧所形成的角度,该组中的微结构可分为2类:平行(S21和S23)和非平行(S22)脊-片层状肋结构。

在鳞片的表面结构特征上,房岩等[8]按鳞片的形状大小和排列密度对蝴蝶翅膀表面进行分类。鳞片主要有窄叶形、阔叶形、圆叶形、纺锤形(图1)4种形状。鳞片按覆瓦状排列,其表面结构由纳米级的肋(或槽)及柱状结构组成,每个沟槽或纵肋间距1.0～2.7 μm。

图1 蝴蝶鳞片的形状[8]

在蝴蝶翅膀鳞片的形态上,张沙沙[9]提出蝴蝶翅膀均由100～300 μm的鳞片层叠排列而成,鳞片全部呈倒伏状由前往后排列,排列紧凑有序,鳞片与翅膀之间存在一定的角度。

曹艳波[10]提出蝴蝶翅膀鳞片形态各异、扁平开阔,有些鳞片前端与翅膀结合端较窄,后端较宽形状像盾牌,鳞片与翅膀不在一条直线上,各排鳞片之间有一部分相互重叠,而有些鳞片前后端宽度一样。在低倍显微镜下,能够清楚看到鳞片均匀的排列在蝴蝶翅面。

在宏观形态的分析上,对蝴蝶翅膀鳞片表面结构的形状,每位学者都有自己独到的见解。韩志武等[11]通过SEM发现蝴蝶鳞片就像屋脊上的瓦片一样排列的十分整齐,鳞片上的脊脉结构都与表面平行,蝴蝶翅面局部按覆瓦状叠加分布,翅面能看到2种形态的鳞片(图2),鳞片的表面都密布着纵向的脊脉结构。

图2 蝴蝶鳞片SEM图[11]

王龙等[12]认为蝴蝶后翅鳞片下层基鳞形似扁平扇状,基鳞表面由横向交错的短肋和竖向分布的脊脉结构构成,形成了一种多孔蜂窝状结构见图3(e)、图3(f)。多孔蜂窝状结构可提高太阳能转换效率,还能应用到太阳能电池领域。

蝴蝶翅膀表面陷光结构通过不断的反射、折射、和散射作用,把入射进来的光线反射到各个角度,使光在墙体的光程变长,降低其表面的反射率,提高了光子晶体的吸热率,使建筑物的保温隔热性能更好[2]。

2 蝴蝶翅膀表面结构的特性及其仿生应用

2.1 蝴蝶翅膀表面的光学特性及其仿生应用研究

2.1.1 蝴蝶翅膀鳞片的结构色

在自然界中,结构色是普遍存在的一种现象,很多物种在进化的过程中会形成其独特的结构色,蝴蝶翅膀鳞片的结构色源自蝴蝶翅膀表面微观结构的特殊光学效应,蝴蝶翅膀独特的结构色引起国内外学者的广泛关注。早在1999年VuKusic等[13]针对蝴蝶翅膀整块鳞翅和单个鳞片的反射特性作了检测,通过实验证实了蝴蝶鳞翅上的微纳结构可发出耀眼的蓝色光芒。

2005年伍一军等[14]发现蝴蝶翅膀颜色虽是黄、蓝色,却给人一种发绿的感觉。这是由于光线被蝴蝶翅膀上的微型小坑反射,小坑的尺寸大概有4 μm,肉眼无法将四周反射的蓝色光区与坑底反射的黄色光区分开,所以给人一种绿色的错觉。

Kinoshita S等[15]在2008年提出蝴蝶翅膀鳞片的结构色主要来自底层鳞片,通过TEM图(图4)发现底层鳞片的微纳结构呈周期排列的树状,此结构决定蝴蝶翅膀的结构色。

图4 底层鳞片透射电镜[15]

2012年于奎龙等[16]提出由色素沉积形成的深坑结构坑底,二维光子晶体由空气柱形成,其禁带落在绿色光波区。由于光子晶体的局部作用,绿光只能沿空气柱轴向传播。使绿色反射光发射充分,蝴蝶翅膀的亮度被提高,几丁质层将光子晶体板传出的绿光迅速反射回去,提高了绿光的出射效率。

同年,夏奇等[17]通过对蝴蝶翅膀鳞片的仿生发现结构色主要来源于多层膜的干涉作用,其蝴蝶翅膀表面微纳结构的上层薄片能提高结构的反射率。

王龙等[12]表明由多层膜结构相长干涉的单色反射光形成蝴蝶翅膀鳞片的颜色。当相同光束照射凹坑型膜系结构,会在侧面和底面形成不同的结构色。鳞片颜色由结构形态与特征尺寸共同决定,对填充介质、光线入射角度等外界因素也有敏感变色现象。

2.1.2 蝴蝶翅膀表面结构色在防伪领域的应用

Mathias Kolle[18]仿制蝴蝶翅膀鳞片表面结构,采用自组装和原子层沉积(ALD)模拟制作出多层半球形凹坑膜,凹坑膜调制入射光线,在高倍显微镜下观察,凹坑周围会出现圆环图案,图案的颜色决定膜的厚度和图案的位置,这种人造结构可在防伪中应用。

目前乌维西等[19]正在探索仿照蝴蝶翅膀表面的结构形式,如何让钱币或信用卡上布满小坑,无论伪造者把假币表面制作得多么逼真,也无法让假币布满小坑,从而让假币在生活中消失。

2.1.3 蝴蝶翅膀表面结构色在雷达隐身领域的应用

雷达隐身技术是目前发展最快最受人关注的隐身技术。飞行器外形隐身设计的重点是应用蝴蝶翅膀表面的陷光特性,蝴蝶翅膀表面结构可减少雷达散射波,并同时降低对飞行器雷达吸波材料涂覆的影响[20]。角偏特性是蝴蝶翅膀最常见的特性,结构只要具备这种特性就能应用到飞机和武器装备的隐身设计中[21]。

南京航空航天大学的何小祥等[22]对蝴蝶鳞翅微纳结构的电磁反射及其原理进行探究,应用时域有限差分法和外延表面技术,通过仿生原理制造新型吸波材料。把这种新型涂料应用到飞机与游艇的隐身设计,使系统的整体性能得到优化。

光子晶体结构在现代雷达的应用中扮演十分重要的角色。比如可以设计宽频带滤波器、宽频带反射器、高性能微带天线、天线防护罩等[23]。伴随着更加深入研究分析蝴蝶翅膀微结构的一维多层光子晶体结构,通过缩比原理在其基础上制作X波段仿生结构,宽带滤波功能通过X波段得到进一步突破[24]。

2.2 蝴蝶翅膀表面的气敏特性及其仿生应用研究

随着工业的迅速发展,空气质量日趋下滑。传统的气体传感器灵敏度不高,因此寻找新型的气体传感器成为当前的急切需求,蝴蝶翅膀表面微观结构对外界气体有较高的敏感特性,因此国内外的学者和专家团队针对蝴蝶鳞片的气敏性展开研究。

杨盟[25]通过对比分析典型蝴蝶鳞翅对外界环境敏感性,找出敏感性较强的蝴蝶翅膀结构;研究其对液体、气体的敏感特性及机理,通过试验制备仿蝴蝶鳞翅结构,说明导致气体敏感的源由是蝴蝶鳞翅的多层结构。

Potyrailo等[26]证实蝴蝶鳞翅结构对气体存在高度的选择性,当蝴蝶鳞翅结构被气体分子填充,由于物理吸附等作用,蒸汽发生凝结,纳米薄膜在蝴蝶鳞翅表面与间隙之间形成。

蝴蝶翅膀鳞片作为一种光子晶体,不仅有较强的光敏特性,而且对周围环境也有很强的敏感特性。W.J.Wu等[27]在2012年提出蝴蝶翅膀鳞片对周围环境具有敏感性,同时颜色会随之发生变化。2013年Radislav A. Potyrailo等[28]证实蝴蝶翅膀鳞片结构具有极性梯度,位置不同,所吸收的气体分子也不同。

王正龙等[29]通过仿真模拟发现蝴蝶翅膀表面结构在不同气体环境下表现不同,蝴蝶翅膀微纳结构在不同折射率和不同挥发性液体环境下所呈现的颜色不同。若能把此结构应用到气体检测,将会掀起气体检测的狂潮。

2.3 蝴蝶翅膀表面光热转换特性及其仿生应用研究

随着仿生学的兴起,人们对蝴蝶的研究更加深入,因此把目光转向蝴蝶翅膀表面及其光热转换特性,所谓的光热转换就是指蝴蝶翅膀表面陷光结构对光的吸收,并进一步把光能转化为热能的过程。光热转换由于长时间的演变,光热转换率也不断提高[30]。为了进一步提高光热转化效率,国内外学者分别对其展开深入研究,通过对光热转换过程的优化,进一步应用到墙体保温和太阳能电池领域。

2.3.1 蝴蝶翅膀鳞片的光热转换特性

2004年Gralak,Plattner[31],Berthier和Banerjee等通过对不同角度仿真与试验,研究蝴蝶翅膀的光学特性。

2006年浙江大学的Huang J Y等[32]采用ALD工艺,在蝶翅表面沉淀出一层均匀且厚度可控的氧化铝薄膜,对蝴蝶鳞片进行高温消除,最后可得到蝴蝶鳞片反转结构,通过实验证明蝴蝶翅膀与该材料有相似的光学特性。

2011年左海波[33]认为入射光线射到蝴蝶鳞翅表面的微纳结构时,其微纳结构会对光线产生散射、衍射等光学效应;在特定环境下,鳞翅周围的气体分子会迅速扩散并充满整个环境,并在蝴蝶鳞翅表面铺上一层薄膜,使其光学特性发生改变。

2014年牛士超[34]提出脊脉结构可将鳞片所吸收的热量传至全身,用场发射扫描电子显微镜对单个鳞片的显微结构尺寸进行测量,蝴蝶鳞片表面微结构实际是一种收集光的器件。

2019年穆正知[35]提出蝴蝶鳞翅的类蜂窝及层叠板状结构的光学衍射效应,使蝴蝶表面结构对光的吸收效率变高,显现出其优异的光热转换特性。当表面有多波长的自然光照入,由几丁质层和空气层组成的脊脉多层米结构发挥多缝衍射和反射光栅作用。

2.3.2 蝴蝶翅膀表面光热转换特性的应用

蝴蝶翅膀表面陷光结构可提高光热转换效率。牛志超[34]提出提高太阳能效率的有效途径就是陷光结构,光能利用和保温墙板的急切需求就是寻找优异的陷光结构。

潘恒等[36]提出陷光结构可使光的衍射和散射效果变强、增长光的传播路径、减少入射光的干涉相消现象,使太阳光的吸收利用率变高,提高太阳能转化效率。研究表明器件的光学性能是由纳米陷光结构来优化。

陷光结构是太阳能电池中不可或缺的元素,王迪[37]提出陷光结构可优化光线在太阳能电池的内部光程,提高光吸收的上限,提升太阳能电池的光电转换效率,在电池越来越轻薄的时代,陷光结构显得尤为重要。

李红恩[38]提出一种陷光结构,其前表面为Sio2纳米球,后表面为Ag半球的复合结构。结果表明复合陷光结构不仅能提升非晶硅薄膜太阳能电池在宽光谱范围内的吸收,还能提高太阳能电池的短路电流密度。

Hangsoon Cho与Jung-Yong Lee[39]模拟分析微透镜阵列和高反射镜阵列陷光结构、V 型与双抛物面的陷光结构,研究结果表明,应用在聚合物太阳能电池时,入射光被采用双抛物面的新型陷光结构完全捕获在2个抛物面光伏电池之间,使电池转化效率变高。

Hoyeon Kim等[40]把微透镜陷光结构应用于有机太阳能电池外表面的塑料薄膜,并从理论和实践角度研究随机结构的薄膜微透镜和“V”型薄膜微透镜陷光结构的光学性能。研究结果显示,采用随机结构的薄膜微透镜陷光结构,可增加入射光的总光程。

3 结论

蝴蝶作为仿生领域的新秀,其独特的表面结构及优异的特性夺得人们的喜爱,因此专家们深入研究蝴蝶翅膀表面结构及其光学特性、气敏特性和光热转换特性。通过对蝴蝶深入研究给人以启迪,蝴蝶给人们带来的启示大大促进了科技的发展。

蝴蝶翅膀独特的结构及优异的特性早已为人所用,并广泛应用于材料、防伪、纺织、军事、电池等领域,其表面陷光结构在太阳能电池中应用,希望可进一步延伸到墙体保温,从而满足人们对保温的需求。随着人们对仿生研究的不断深入,相信在未来的建筑中,仿生结构能给人们带来无尽的惊叹。