綠帶翠鳳蝶藍色鱗片微納結構模型優化設計

史　迎， 鄔文俊

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

綠帶翠鳳蝶藍色鱗片微納結構模型優化設計

史迎， 鄔文俊

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]從微納結構出發，選取與閃蝶呈現出相同色彩的綠帶翠鳳蝶蝶翅為研究對象，提出一種便于制造的優化設計方法。利用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)等分析工具，對綠帶翠鳳蝶后翅藍色鱗片結構進行實驗研究，對比分析其表面結構和橫截面結構，提取結構參數，建立層狀和塔狀仿真模型，將仿真數據與實際測試數據對比分析，建立一種既能與測試數據相吻合又能節約成本的棱紋狀約束模型，為后續仿生微納結構應用于制造提供理論參考。

[關鍵詞]微納結構； 優化設計； 結構參數

微納米結構材料是一種倍受關注的新型結構材料，而仿生微納結構更是引人矚目。耶魯大學R.O.Prum教授確定了蝶翅鱗片內部的空間結構，將微納結構的研究帶入了一個新的時代；新加坡科學技術研究局的H.Y.Low小組利用光刻技術制造出了具有微納結構的聚碳酸酯薄膜[1]。在國內，上海交通大學張荻教授課題組采用浸漬方法研究出具有生物蝶翅功能特性的三維結構氧化物。然而，目前的仿生制造都很難避免成本高、工藝復雜的不足，使得微納結構的應用難以邁出實質性的一步。因此，設計出一種低成本、便于制造的微納結構模型十分必要。本研究利用綠帶翠鳳蝶特有的微納結構，建立了三維結構模型，為微納結構的制造提供借鑒。

1試驗分析

1.1蝶翅微觀結構分析

在體視顯微鏡(OM)下觀察，首先確定放大倍數。由于鱗片非常小，因此要選擇5000倍觀察。調整完倍數后，調整粗準焦螺旋，在操作過程中，應遵循將物鏡倍數調到最小，然后慢慢增加，避免物鏡與樣品接觸，損壞其內部結構[2]。在調節觀察視野時，會發現相對清晰的圖像時，應調節細準焦螺旋，通過改變焦距獲得最佳清晰的結構，然后拍照保存(圖1)。

圖 1　綠帶翠鳳蝶及藍色鱗片OM圖

通過掃描電鏡(SEM)觀察位于蝶后翅的藍色鱗片微結構(圖2a)，當將目鏡的倍數設置為500時，可以發現類似于花瓣形狀的鱗片，但是單個鱗片表面不光滑，呈現凹坑形格子形狀，仔細觀察會發現其縱向分布有11到16條不等的平行脊脈結構。進一步放大至1000倍(圖2b)和5000倍(圖2c)時，沿縱軸方向，凸顯的相鄰脊脈間稍微有點錯位排列，脊與脊之間的脊脈等距離平行排列，脊脈厚度和脊間距分別約為1 μm和5 μm；在縱向脊脈間有不均勻分布的橫向短肋，短肋的厚度比縱向脊脈間距小，約為1.5 μm，分布在無規則短肋所形成的脊脈間，并且以短肋和脊脈為邊界構成一個凹狀結構。

圖 2　綠帶翠鳳蝶藍色鱗片SEM圖

鱗片在電子透鏡(TEM)下所顯示的橫截面結構，是由一凸凹不平且不光滑的單元體結構組成。根據薄層結構所分布的部位不同，可以將綠帶翠鳳蝶的藍色鱗片結構分為兩種：第一類是等厚等間距左右交錯分布的塔狀平行薄膜結構(圖3a)；第二類是等厚等間距連續的凹坑形水平平行排列薄膜結構(圖3b)。第一類薄膜結構約有10～12層薄片，層厚和層間距分別約為30 nm、50 nm，第二類是具有8層平行排列的薄膜結構，薄厚和薄間距分別約為80 nm、60 nm。因此，從測試和理論分析可知，具有藍色鱗片的綠帶翠鳳蝶的微納結構，不論是第一類型還是第二類型都是分布均勻的多層薄膜結構，唯一的區別在于分布的位置和薄層的形狀不同。

(a)第一類型　　　　(b)第二類型圖 3　綠帶翠鳳蝶藍色鱗片TEM圖

1.2鱗片耦合結構分析

由以上分析可知，綠帶翠鳳蝶的微納結構是一個非光滑多層薄膜結構。從薄層的形態和分布角度考慮，綠帶翠鳳蝶的微納結構可歸納為兩類：第一類為層狀平行多層薄膜結構，第二類為塔狀多層膜結構。層狀多層薄膜結構是由脊狀結構的主脊及多層薄片層相互平行堆積而成；塔狀多層膜結構較為復雜，是由樹狀層脊結構和作為銜接作用的基底組成，薄層周期性出現在主脊兩側，塔狀結構之間相互獨立(圖4)。

圖 4　鱗片微觀結構橫截面TEM圖

通過研究發現，蝴蝶鱗片的結構色與耦合結構密切相關，結構不同，其對應介質層折射率不同，則在干涉光作用下呈現不同的色彩[3]。

2鱗片結構模型的建立

根據上述兩類鱗片結構的天然層脊結構，建立如圖5所示的結構模型，模型中各個參數均來源于測試。具體操作是將藍色鱗片的脊脈截面圖導入AutoCAD中[4]，設置基準，測量出復雜層脊結構的層高、脊間距和脊角度等一系列參數，得到以下兩種模型。

A模型(層狀平行多層膜結構)：這是一個簡化程度較大的三維結構，模型有8層，每層均相互平行且層厚和間距均相同，薄層厚度約為80 nm，層脊結構由空氣間隙層和有機物薄層交替排列組成，有機物薄層與空氣層的間距約為60 nm，如圖5a所示，灰色層表示有機物層，有機物層之間填充的是空氣層。

B模型(塔狀多層膜結構)：這是一種非常接近實際結構的簡化模型，主脊的左右兩側單獨用矩形薄層來表示，略微錯開，如圖5b所示，空氣薄層和有機介質層均通過基底連接，并且左右兩部分的矩形薄層都與基底平行，間隙層和薄層的厚度均不隨著層數的增加而改變，層厚度約為90 nm。

圖 5　兩種模型結構

為了進一步驗證上述模型是否合理，通過光學仿真軟件RsoftCAD中的DiffractMOD模塊，對兩種具有光柵結構的模型進行仿真分析，圖6所示為仿真得到的反射光譜與綠帶翠鳳蝶實際測試光譜對比。

圖 6　兩種模型的仿真光譜和測試光譜

從圖6中可知，測試所取得的綠帶翠鳳蝶翅實際反射率光譜與A、B兩種模型的仿真反射率光譜的反射光譜峰值均小于60%[5]。從圖中發現，A模型的反射光譜圖在波峰的左側前半部分與實際測試光譜較為符合，但是在波峰位置和波峰右側部分卻有明顯差異，誤差較大。B模型反射光譜曲線在波峰左側近似以指數分布的形式上升，相對實際光譜曲線整體向左側偏移，這是由于仿真參數設置時，時間參數不一致所導致，但整體波形基本相同，波峰值也接近，因此B模型較符合實際結構。

通過上述分析可知，錯層結構最接近實際結構，然而從節約成本和制造的角度考慮，現有的加工工藝無法滿足錯層結構的加工要求，因此，結合上述兩種模型結構，建立了棱紋形塔狀多層膜結構(圖7)。

圖 7　棱紋形塔狀多層膜結構模型

利用RsoftCAD仿真軟件，將棱紋形塔狀多層膜結構模型與實際測試光譜對比(圖8)，可發現棱紋形模型反射光譜與實際測試的反射光譜波形相近，且都在620 nm波長附近達到峰值。因此，將模型優化設計為棱紋形塔狀結構是較為合理的。

3結論

1)翅面鱗片呈現藍色的原因，是由于其表面的結構為多薄層結構，每片薄層之間又由介質層隔開，在光照作用下，會發生干涉，呈現一定的表面顏色。

2)綠帶翠鳳蝶在光照下呈現不同色彩與其結構密切相關。綠帶翠鳳蝶藍色鱗片的表面形態分為層狀結構和塔狀結構，根據薄層的分布位置不同，其所具有的特征不同，而這些特征決定反射光的顏色。

3)對比分析兩種不同模型結構，優化設計得到既能滿足工藝要求又能和測試結果較為匹配的棱紋形結構模型，為仿生結構應用于實踐提供一種新的思路。

[參考文獻]

[1]譚勇文.仿蝶翅微納結構金屬功能材料的制備及光響應特性研究[D].上海：上海交通大學,2013.

[2]關會英.典型蝴蝶鱗片結構色形成機理及其微觀結構研究[D].長春：吉林大學,2007.

[3]邱兆美,韓志武.蝴蝶鱗片微觀結構與模型分析[J].農業機械學報,2009(11):193-196，207.

[4]鄔文俊.蝶翅微納結構的光學特性及變色機理研究[D].武漢：華中科技大學,2012.

[5]邱兆美.蝴蝶鱗片微觀耦合結構及其光學性能與仿生研究[D].長春：吉林大學,2008.

[責任編校： 張眾]

Optimization Design of Papilio Maackii Blue Scales Based on Micro-nano Structures

SHI Ying, WU Wenjun

(SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：Based on the micro-nano structure of Papilio maackii’s wings, an optimal design approach was proposed to facilitate manufacture. Structure parameters were obtained by experimental measurement that were contributed to setting up the layered and tower models which were simulated in RsoftCAD. The Rib shape model of optimal structure was designed, comparing the simulated data and the test data, which can provide the reference value for the bionic micro-nano structure applied to the manufacture.

Keywords：micro-nano structure; optimal design; structure parameters

[收稿日期]2016-01-08

[基金項目]國家自然科學基金(51305129)； 湖北省教育廳青年基金(Q20151411)

[作者簡介]史迎(1990-)， 女，湖北黃岡人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為精密儀器及機械

[文章編號]1003-4684(2016)02-0013-03

[中圖分類號]TB17

[文獻標識碼]：A