Morpho蝴蝶蝶翅微納結構氣敏特性分析

王正龍， 鄔文俊， 史　迎

(湖北工業大學 機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

Morpho蝴蝶蝶翅微納結構氣敏特性分析

王正龍， 鄔文俊， 史迎

(湖北工業大學 機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]基于Morpho蝴蝶蝶翅在氣體中反射率與介質折射率關系的研究，提出一種簡單、快捷的氣體敏感性檢測方法。在Morpho蝶翅微納結構基礎上，建立一種便于分析的平面結構模型，研究模型參數對反射率的影響。將仿真結果與測試結果對比發現：介質濃度不同折射率不同，光學特性表現則不同，濃度越高，折射率增大，反射光譜峰值減小且向波長較大方向偏移。這一結論揭示了Morpho蝶翅氣體敏感性是由于氣體介質在蝶翅表面形成了液體薄膜，從而改變光學特性所導致的。

[關鍵詞]Morpho蝴蝶；氣體敏感性；光學特性

Morpho蝶翅微納結構在揮發性液體介質中呈現不同的色彩[1]，這種色彩變化是由于介質折射率改變而造成的。如果能將這種結構應用于氣體介質的檢測，將會對氣體檢測帶來新方向。利用生物結構模型制成的材料如今已被廣泛應用于氣體的檢測，在國外，Biró小組利用電阻變化來檢測氣體[2]；Míguez小組利用一維光子晶體實現對化學液體和氣體的檢測。在國內，吉林大學科研組利用晶體在特定環境下折射率發生變化來進行氣體檢測；華中科技大學科研組對液體和氣體敏感性檢測也做了許多實驗研究[3]。目前，氣體多數檢測方法都不夠理想，達不到預想效果。本文擬采用Morpho蝴蝶蝶翅特有的生物結構，以此為模板，研究其在不同模型下光譜變化規律，分析結構參數不同對反射率的影響，對仿生氣體傳感器的設計提供理論基礎。

1實驗研究

1.1蝴蝶蝶翅微觀結構

Morpho didius蝴蝶鱗翅表面色彩亮麗，具有明顯的金屬光澤[4](圖1a)，其邊緣部分呈現黑色。利用OM對蝶翅表面進行觀察[5](圖1b)，發現鱗片由兩層組成，上層半透鱗片覆蓋在底層鱗片上，底層鱗片顏色鮮艷，明亮耀眼[6]。圖1c所示為下層鱗片的橫截面TEM圖，可發現蝶翅脊狀結構內部有類似于樹狀的層狀結構，每一層交錯排列，寬度逐漸減小，呈現小樹形狀。

圖 1　Morpho didius蝴蝶光學顯微鏡圖和TEM圖

1.2測試系統

針對Morpho在不同氣體環境下表現不同，分別以甲醇、乙醇為研究對象，采用Ocean Optics HR2000+的高分辨率光譜儀，光譜儀、光源、反射式探頭和一個氣體介質產生裝置組成一套完整的測試系統(圖2)。甲醇、乙醇在常溫為液體，具有揮發性，將氮氣作為載體氣體，能夠很好地減小實驗誤差。

圖 2　測試系統示意圖

測量時，先在樣本空間中注入氮氣，然后關閉氣閥2，打開開關1，以定量流量充入氮氣，將攜帶有氣體介質的氮氣通入樣本空間，通過控制流量計，待濃度達到預定值時開始測試反射光譜。試驗中，氣體濃度在外界條件已知的情況下可通過查相關標準計算出來。依據分壓定律可知，分壓與體積成線性關系。計算得到，甲醇蒸氣占13.29%，乙醇蒸汽為6.43%。

1.3不同氣體中的反射光譜

實驗時，裁取一塊完整的、大小適中的鱗片樣本置于載物臺上，得到蝶翅在光照下隨著氣體介質濃度增加的反射光譜(圖3)。圖中可見，隨著乙醇濃度增加，反射光譜峰值逐漸達到最高；繼續通乙醇氣體，反射光譜反而下降，整體呈現先升后降的趨勢。甲醇光譜亦有類似規律。

圖 3　不同濃度乙醇氣體反射光譜圖

圖4a為通不同氣體時得到與氮氣的比對光譜。可見介質不同，反射光譜有明顯不同。乙醇-氮氣光譜中，光譜差異較大，甲醇-氮氣光譜則較為接近。

(a)甲醇

(b)乙醇圖 4　甲醇和乙醇蒸汽穩定狀態反射光譜

由于通入氮氣后，增加了實驗的測量誤差，為了消除誤差，將兩組氮氣光譜作對比，采用相對差值的處理方法，減少通入氮氣對實驗的影響，同時能夠放大甲醇和乙醇光譜的差別(圖5a)。相對差值

式中，R,R1分別為甲醇和乙醇的反射光譜和氮氣光譜。

數據處理之后，得到的結果如圖5b所示。因為采用相對差值處理方法，減去的是氮氣的反射光譜，所以氮氣光譜為一條直線，從而消除其對實驗的影響。虛線和點畫線則為數據處理之后甲醇和乙醇的反射光譜圖，從圖中明顯可發現，二者光譜有巨大差異，乙醇的差值光譜相較于甲醇的差值光譜要明顯偏向波長較長的方向，且峰值也明顯低于甲醇光譜峰值。因此，如果設定標準參考值之后，即可通過曲線峰值的差異確定介質折射率，進一步確定是何種氣體。

(a)氮氣光譜對比圖

(b)差值光譜圖圖 5　反射光譜圖

2分析與討論

2.1建立模型

通過上述實驗發現Morpho蝶翅鱗片在氣體介質中具有靈敏的選擇性。為了進一步量化分析環境氣體變化對反射光譜的影響，設計了納米薄膜模型。設計思路是：化學氣體通入樣本空間后，充斥蝶翅鱗片的各個部位，在鱗片上形成一層納米薄膜，當氣體濃度改變時，通過薄膜厚度改變導致折射率發生變化來實現。

根據蝶翅實際結構建立的簡化納米薄膜模型如圖6所示。該模型來源于蝶翅的微觀結構，相似度在90%以上，因此以此模型進行仿真是可行的。實驗中不同氣體介質，模型中將以改變薄膜折射率來實現，濃度的變化則通過改變薄膜的厚度來模擬，這樣建立的模型與實際測試條件是完全相符的。

圖 6　納米薄膜仿真模型

2.2仿真分析

(b)光譜厚度間隔為5

(c)差值曲線比較圖 7　改變介質薄膜厚度時的光譜變化

通過上述模型運行仿真得到圖7所示結果。薄膜厚度不同，對應反射光譜也有明顯不同。圖7a中7條光譜曲線分別對應厚度為1 nm、3 nm、5 nm、7 nm、9 nm、11 nm、13 nm。圖中可見，薄膜厚度的不同，反射光譜波形變化不大，但當薄膜厚度增加時，得到的反射光譜整體會有一個向波長較長方向偏移的趨勢，即圖中的偏移現象。同時，反射光譜盡管整體波動不大，但就單個波形而言，反射光譜的變化還是比較明顯的，與實驗中得到測試結果基本一致。薄膜厚度小于5 nm時，反射峰呈現上升的趨勢，超過5 nm之后反而下降，即5 nm時反射峰值最大，反射效率最高。當設置仿真厚度間隔為5 nm時(圖7b)，隨著薄膜厚度增加，反射光譜向右偏移更加明顯，而反射峰值卻沒有變化，這是由于間隔過大，仿真速度過快造成的，所以仿真薄膜厚度間隔不宜太大。

為了使這種差異更加明顯，便于實際測試時更易獲取測試結果，同樣利用差值法計算仿真氣體光譜與仿真原始光譜的相對差值ΔR，得到圖7c所示曲線。圖中可看出，當氣體介質濃度不同時，對應仿真模型中薄膜厚度不同，反射光譜差值曲線有較大的波動。當薄膜厚度相差較大時，反射光譜振動較劇烈。

從以上仿真分析可見，隨著薄膜厚度的增加，反射光譜會整體向長波方向偏移，薄膜厚度為5 nm時，反射峰值最大，隨后則持續減小。薄膜厚度差值越大，則反射光譜差異越大。這與實際測試結果吻合，說明用納米薄膜模型仿真是可行的，即不同氣體濃度對應于仿真薄膜厚度的設計是合理的。

2.3不同模型對反射光譜影響的仿真分析

綜上所述，利用上述模型模擬實際測試條件是合理的，然而這種模型在實際制造中十分困難，因此對關鍵的參數進行模擬分析十分必要。薄膜厚度和介質折射率是影響反射光譜的關鍵因素，因此，針對薄膜介質和厚度的改變進行仿真分析討論。

(a)反射光譜圖

(b)差值圖圖 8　薄膜厚度不同對應反射光譜

設定薄膜折射率為1.30時，不同薄膜厚度所對應的反射光譜圖如圖8a所示，可見薄膜厚度越大時，反射光譜偏離原始光譜程度越大，并且厚度逐漸增加，反射光譜會整體向右移動，并且反射效率明顯下降，整體上還是呈現一種先升后降的趨勢。為了便于觀察，采用ΔR曲線來描述整體變化規律(圖8b)。

圖9a為設定薄膜厚度為13 nm時得到的甲醇和乙醇的反射光譜圖。從圖中發現，薄膜厚度保持不變時，當介質發生改變，即折射率不同時，光譜也有明顯差異，甲醇和乙醇氣體整體波形圖大致相同，但是乙醇光譜圖位置整體領先甲醇光譜圖。利用ΔR曲線時，也可發現這一規律(圖9b)。

(a)反射光譜圖

(b)差值圖圖 9　折射率不同反射光譜圖

通過建立模型仿真分析可知，只要對影響氣體靈敏性的主要參數加以控制，即使改變模型形狀或者其他特征，改善后的模型仍能夠具有很好的氣體敏感性，通過簡化的模型仿真分析后得到的反射光譜圖仍能與實驗結果保持高度一致。

3結論

1)Morpho蝶翅具有良好的氣體靈敏性，主要原因在于氣體介質注入樣本空間后部分粘貼在蝶翅表面，改變了蝶翅薄膜的厚度，導致折射率發生改變，從而影響了反射光譜。注入的氣體越多，則反射光譜的變化越大。不同的氣體注入時，反射率小的，光譜的峰值會偏大，并且整體光譜明顯滯后。

2)通過對不同氣體介質的研究發現，折射率的不同對反射光譜的影響較大，利用這一特性，可以有效區分不同氣體介質，對于有毒氣體等的檢測具有一定意義。

[參考文獻]

[1]左海波. 仿蝴蝶鱗翅微納結構光學特性研究[D].武漢：華中科技大學,2011.

[2]Horváth Z E, Koós K K, Kertész K, et al. The role of defects in chemical sensing properties of carbon nanotubelms[J]. Appl. Phys. A, 2008, 93: 495-504.

[3]覃劍. 基于電極選擇性的新型NOx傳感器的制備及其性能研究[D].武漢：華中科技大學,2013.

[4]曹艷波. 閃蝶鱗翅微納結構光學特性仿真與實驗研究[D].武漢：華中科技大學,2009.

[5]楊雪峰. 基于蝴蝶鱗翅結構的環境介質檢測實驗與仿真研究[D].武漢：華中科技大學,2012.

[6]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.

Gas Sensitivity for Nanostructures of Morpho Butterfly Wing Scales

WANG Zhenglong，WU Wenjun，SHI Ying

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

Abstract：Based on the study of the relationship between reflectivity and refractive in a gas medium for Morpho butterfly wing scales, a simple and quick method was proposed to detect gas sensitivity. A planar structure model followed with micro-nano structure was established to facilitate the research of model parameters on the efficiency of the reflection. The comparison between simulation results and test data indicates that the optical properties is closely related to media concentration. The reflection spectral peak wavelength decreases and shifts towards long wave with the increase of concentration refractive index. The finding reveals that gas sensitivity of Morpho butterfly wing scales is due to the optical properties being changed by the liquid film, which can be used to design and manufacture the gas detection equipment.

Keywords：Morpho butterfly；gas sensitivity；Optical properties

[收稿日期]2016-01-05

[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]王正龍(1988-)， 男， 湖北襄陽人，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)02-0016-04

[中圖分類號]TB17

[文獻標識碼]：A