自然納米結(jié)構(gòu)的光功能特性及仿生應用.pdf

1、大自然是創(chuàng)造的寶庫,是人類賴以生存的基礎(chǔ)和智慧的源泉。在長達億萬年的進化過程中,大自然中的各種生物為了更好地適應環(huán)境,在激烈的生存競爭中勝出,進化出了及其豐富的納米身體結(jié)構(gòu)來滿足其對于特殊光功能的需求。仿生學是一門古老的學科,從人類誕生以來我們就不斷地汲取著大自然智慧的養(yǎng)分。進入新世紀以來,由于能源問題和人口問題等危機日益突出,探索和制備新型的光功能納米結(jié)構(gòu)的需求越來越迫切,一系列自然光功能納米結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和深入研究為解決這個問題提供了新

2、的可能性。基于此認識,本研究在以下方面做出了嘗試。一方面,對Ornithopteragoliath,Troidesaeacus和PapiliohelenusLinnaeus三種蝴蝶黑色翅膀背部鱗片的微結(jié)構(gòu)和光學性能進行了研究,并進行了三維時域有限差分法的建模計算和理論分析;另一方面,利用在Ornithopteragoliath翅膀背部黑色鱗片中發(fā)現(xiàn)的高效納米減反結(jié)構(gòu)制備了超黑超薄的非晶碳薄膜;除了以上兩個方面之外,還對植物葉片中的分級納

3、米多孔結(jié)構(gòu)對所制備的發(fā)光材料的光性能的影響進行了研究和計算。所得的主要研究結(jié)論如下:1.在三種黑色蝴蝶翅膀背部鱗片中發(fā)現(xiàn)了三種不同的可以有效增加光吸收的納米結(jié)構(gòu),分別為Ornithopteragoliath中類似微波暗室吸波體的尖劈形結(jié)構(gòu)、Troidesaeacus中脊隔交錯納米雙排孔結(jié)構(gòu)以及PapiliohelenusLinnaeus中的類蜂窩狀亞波長納米孔陣列。以上納米結(jié)構(gòu)使黑色鱗片實現(xiàn)了99％的光吸收和1%的光反射,其中對于反射的

4、衰減達到92%。2.基于Ornithopteragoliath中的倒V型尖劈納米結(jié)構(gòu),通過真空燒結(jié)法制備了超黑超薄的非晶碳薄膜。薄膜的厚度只有5μm,只有之前報道的超黑才老的1/6左右,但是對于光線的吸收性能卻與之相近。薄膜中倒V型的納米減反結(jié)構(gòu)使得反射的能量只有平板結(jié)構(gòu)碳膜的1/14。除此之外,本研究還第一次計算出了生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化的非晶碳材料在可見光波段的復折射率。3.通過對比繼承自樹葉結(jié)構(gòu)的具有納米分級多孔的硅酸鈣發(fā)光材料以及不具有