Morpho蝶翅結(jié)構(gòu)色的線性液體反應(yīng)

謝恒峰，鄔文俊

（湖北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代制造質(zhì)量工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430068）

結(jié)構(gòu)色是由物體本身的結(jié)構(gòu)屬性決定的［1］。換句話說，這一顏色是由光線通過極為精細(xì)的微納結(jié)構(gòu)而發(fā)生復(fù)雜的衍射的特性造成的，而不是像色素色那樣，是由物體對光的選擇性吸收或反射造成的。Radislav描述了Morpho蝶翅的納米光子結(jié)構(gòu)，并指出這一閃耀的藍(lán)色光澤受到環(huán)繞在納米結(jié)構(gòu)周圍的氣體環(huán)境的強(qiáng)烈影響［2］?；谇叭藢orpho蝶翅天然納米結(jié)構(gòu)的研究，筆者對選擇性光學(xué)反應(yīng)作出進(jìn)一步分析，通過多層薄膜光子模型解釋了不同成分介質(zhì)對液體反應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生這種選擇性反應(yīng)的原因是液體介質(zhì)在鱗片層脊間形成了多層納米薄膜，因此通過多層薄膜而受到相長干涉的波長發(fā)生了變化；同時研究也進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)蝶翅層脊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)色和其液體氛圍折射率之間存在一定的線性關(guān)系，而這種線性關(guān)系對設(shè)計(jì)納米光子傳感器是至關(guān)重要。

1 實(shí)驗(yàn)對象與方法

選擇一種閃蝶作為研究對象，研究其光學(xué)屬性和液體反應(yīng)。如圖1所示，Morpho didius擁有高反射比且本身沒有顏色。在M.didius蝶翅上可以看到底層鱗片和表層鱗片（圖2），底層鱗片上分布著明顯的層脊結(jié)構(gòu)（圖3），這一層脊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了光亮耀眼的亮藍(lán)色；層脊結(jié)構(gòu)在俯視圖中呈平行排列，在截面圖中由層脊薄膜和空氣薄膜交替組成。層脊相當(dāng)于一個衍射棚，薄片相當(dāng)于多層薄膜干涉儀。衍射光和多層薄膜干涉形成了M.didius獨(dú)特的光學(xué)效應(yīng)［3］。

圖1 蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)圖

圖2 底層鱗片和表層鱗片

（a）俯視結(jié)構(gòu)SEM圖

圖3 底部鱗片上覆蓋的層脊結(jié)構(gòu)

M.didius蝶翅在化學(xué)溶液中呈現(xiàn)出選擇性反應(yīng)，結(jié)構(gòu)色和反射比對環(huán)繞在層脊結(jié)構(gòu)周圍的液體介質(zhì)十分敏感。為了檢測層脊結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)選擇性，選取蝶翅上5mm×5mm的區(qū)域作為樣本，把它放入不同的化學(xué)液體中，并在光學(xué)顯微鏡下觀察蝶翅表面的顏色變化現(xiàn)象。

圖4顯示了蝶翅在外形相似、無色透明和相同折射率的甲醇、丙酮、乙醇和丙醇中的變色現(xiàn)象。當(dāng)周圍液體改變時，蝶翅鱗片樣本的顏色和亮度都發(fā)生了明顯變化:空氣中蝶翅鱗片樣本呈現(xiàn)藍(lán)色光澤，而放在化學(xué)試劑中則變成綠色。從甲醇到丙醇，隨著折射率的增加（由1.328逐次增加為1.359，1.368，1.378），蝶翅結(jié)構(gòu)色逐漸從鮮綠色轉(zhuǎn)變成黃綠色。

為了進(jìn)一步檢測蝶翅鱗片的化學(xué)選擇性，將樣本放到單獨(dú)的化學(xué)制劑（分別為甲醇，丙酮，乙醇和丙醇）中，并在反光系統(tǒng)（圖4）下觀察其反射光譜。

圖4 反射探頭式光學(xué)測試系統(tǒng)

圖5 是M.didius蝶翅鱗片樣本在不同化學(xué)液體中的衍射光譜圖。發(fā)現(xiàn)在不同介質(zhì)環(huán)境中，蝶翅鱗片的顏色和亮度有明顯不同，衍射光譜的差異十分明顯:沉浸在化學(xué)液體中造成反射比下降且波長加長的現(xiàn)象，這與前述所觀察到的現(xiàn)象極為相似。當(dāng)M.didius鱗片放置在空氣中時，在藍(lán)光區(qū)域的波長為479nm，反射率達(dá)到峰值65.23%；在甲醇中，鮮綠色區(qū)域反射率下降到16.85%，波長為556nm；在丙酮中，其在綠光區(qū)域的波長為561nm，反射率下降到13.51%；在乙醇中，其在綠光區(qū)域的波長為564nm，折射率下降到13.82%；而在丙醇中，其在黃綠色區(qū)域的折射率驟降到8.77%，波長為568 nm。這表明5種測試液體盡管擁有相似的物理化學(xué)屬性，其實(shí)質(zhì)卻大不相同。由此也可以得出，M.didius鱗片對化學(xué)液體的敏感性十分顯著，而人工納米光子傳感器卻不具有這種光譜選擇性。

圖5 在不同的化學(xué)液體中M.didius鱗片的反射光譜樣品

為了區(qū)分選擇性液體的反應(yīng)定量，筆者分析了反射光譜與折射率在周圍液態(tài)中的關(guān)系。

圖6 反射光譜和折射率在液態(tài)環(huán)境中的關(guān)系

圖6 為Morpho蝶翅分別在空氣、甲醇、丙酮、乙醇和丙醇的反應(yīng)，表明蝶翅鱗片反射光譜和周圍介質(zhì)之間的線性關(guān)系，這些結(jié)果都將啟發(fā)我們進(jìn)一步研究選擇性的光學(xué)效應(yīng)和周圍液態(tài)之間的關(guān)系，并試圖找出造成這一現(xiàn)象的原因［4］。為了做到這一點(diǎn)，需要構(gòu)建M.didius尺度和周圍介質(zhì)的光學(xué)模型，并獲得模擬反射光譜，利用嚴(yán)格耦合波分析技術(shù)（RCWA）來加以證明 。

2 M.didius尺度和周圍介質(zhì)的光學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)

要弄清楚M.didius的化學(xué)液體靈敏度較高的深層原因，需要把真正脊晶納米結(jié)構(gòu)簡化成光學(xué)模型。其簡化后的模型如圖8所示。這種樹狀層脊結(jié)構(gòu)的復(fù)雜光學(xué)索引被設(shè)置成一個近似的常量值n＝1.55＋0.05i。在整個光學(xué)范圍內(nèi)［5］，該模型具有x不變的結(jié)構(gòu)，其中有沿x軸［6］無限周期，本實(shí)驗(yàn)以2個周期為例，此模型中光晶具有等腰梯形和脊傾向角度，周圍介質(zhì)被設(shè)置成各向同性同源，折射率是唯一在不同的周圍介質(zhì)的變量。

蝶翅浸沒在液體溶劑環(huán)境中，其完全浸潤在蝶翅層脊結(jié)構(gòu)縫隙的液體被模擬為脊晶納米結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)折射率的變化，折光率設(shè)置成1至1.5，同時步長值設(shè)置成0.05。使用RCWA，證明模擬反射光譜如圖7所示；在電磁衍射光柵結(jié)構(gòu)中，要獲得麥克斯韋方程組的精確解，RCWA是一個相對簡單的技術(shù)，其因具有良好非迭代性和穩(wěn)定性，因而可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值的穩(wěn)定和收斂的結(jié)果。

圖7 不同反射率介質(zhì)對應(yīng)的仿真測試光譜圖（鑲嵌圖所示是其線性關(guān)系）

本實(shí)驗(yàn)中，模擬仿真、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和反射率光譜測試結(jié)果都很好地解釋了蝶翅微納結(jié)構(gòu)的線性液體反應(yīng)現(xiàn)象:在蝶翅層脊結(jié)構(gòu)之間，因介質(zhì)折射率的不同而引起反射率光譜以線性變化的方式而變化，并導(dǎo)致了其對化學(xué)液體具有很強(qiáng)的敏感性。

3 結(jié)果與討論

從以上研究可知，化學(xué)－液體反應(yīng)敏感性的更深層次原因是多層薄膜干涉和衍射，這種樹狀層脊的微納結(jié)構(gòu)和周圍介質(zhì)交替疊加形成了具有不同折射率的多層薄膜材料。

圖8 薄膜干涉示意圖

周圍介質(zhì)折射率是na，蝶翅脊晶結(jié)構(gòu)的折射率是nb，多層薄膜干涉結(jié)構(gòu)的配置如圖8所示，當(dāng)從薄膜上表面和下表面分別反射出的兩路光的光程差為入射光半波長的偶數(shù)倍時，發(fā)生相長干涉，輻射增強(qiáng)；若光程差為半波長的奇數(shù)倍，發(fā)生相消干涉，輻射抑制，即將發(fā)生破壞性的干擾，因此，可將這種原理應(yīng)用于抗反射涂層。在多層薄膜結(jié)構(gòu)的干涉關(guān)系

其中:na、da、cosγa分別為薄片層的折射率、厚度和折射角；nb、db、cosγb分別為介質(zhì)層的折射率、厚度和折射角；λ為輻射波波長；m為隨機(jī)自然數(shù)。

對于具有這種樹狀脊間三維微納結(jié)構(gòu)的M.didius蝶翅而言，na、da、nb、db、λ都是常量，當(dāng)入射角設(shè)置時，發(fā)生相長干涉的波長（結(jié)構(gòu)色）與周圍介質(zhì)的折射率na呈線性變化（表1）。

表1 相長干涉的波長（結(jié)構(gòu)色）與周圍介質(zhì)的折射率變化狀況

本文證明了上述M.didius量表的選擇性和化 學(xué)線性液體反應(yīng)是由分層和高度有序的脊晶納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，這一結(jié)果無疑為學(xué)界進(jìn)一步設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有這一類似功能的人造納米結(jié)構(gòu)提供有益借鑒。預(yù)計(jì)這種脊晶納米結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于通過直接比色讀出與之密切相關(guān)的化學(xué)制品成分的傳感器設(shè)計(jì)，這種傳感器因其較高的靈敏度和選擇性將全面優(yōu)于傳統(tǒng)的電氣信號，這對于易燃易爆、危險(xiǎn)化學(xué)品的快速檢測而言具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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