生物结构色机理及仿生构色研究

【摘要】：自然界中许多生物体会产生色彩斑斓的颜色。从显色原理上来说,其颜色一般可分为化学色和物理色。化学色是指通过生物体内所含的色素对光的吸收所引起的颜色；物理色是指光在生物体微结构中产生反射、散射、干涉或衍射所形成的颜色,也称为结构色。由于结构色具有不褪色、环保和虹彩效应等优点,其在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。对自然界中生物结构色形成机理及其应用进行研究,可以促进仿生结构色加工和微纳米光学技术的发展。 本文主要研究内容及成果如下： 1.结构色能引起不同研究领域科研人员广泛关注,源于在自然界中的结构色与微结构之间的复杂关系。微结构的精确描述及其光学特性分析是一个不断发展和完善的过程。为研究蝴蝶结构色产生机理,本文对三种蝴蝶的鳞片进行结构观测,得到鳞片微观结构的几何参数,并根据微观结构建立结构模型；用时域有限差分法分析鳞片的光学特性,研究结构模型参数对光谱和颜色的影响。S. C. formosana蝴蝶翅膀上闪亮的蓝色是由鳞片表面上脊状结构产生,脊平层与鳞片基底角度较小时,鳞片结构色可用二维塔状结构模型进行分析；当脊平层与鳞片基底角度逐渐增大时,颜色主波长逐渐向短波长移动,亮度逐渐减小。凤蝶P. P. Fabricius和P. lorquinianus鳞翅由上下层两种鳞片组成,鳞翅结构色主要由上层鳞片产生,附着上层鳞片上的脊型结构对结构色基本上没有影响；上层鳞片上的凹坑形状会对颜色产生影响,随着深度逐渐减小,颜色主波长往长波长方向移动,且颜色亮度逐渐增大,当鳞片表面无凹坑时,亮度最大。 2.基于蛋白石结构的胶体晶体在显示和传感等领域有着巨大的应用潜力,研究胶体晶体折射率对比度和晶格间距与带隙参数之间的关系对拓展可变结构色的应用具有重要指导意义。本文制备了紧密排列和非紧密排列的两种胶体晶体,通过改变折射率对比度和间隔间距获得可变结构色。研究表明胶体晶体的反射光谱带宽特性和表面颜色受折射率对比度和晶格距离的影响。胶体晶体的反射光谱峰值移动量与晶格间距的变化量近似成线性关系；在胶体晶体晶格变化量相同的情况下,折射率对比度低的胶体晶体能获得更大的峰值位移。在晶格间距相同的情况下,折射率对比度高的胶体晶体有更大的反射峰半宽和更高的峰值强度。对某一特定折射率对比度的胶体晶体,总存在一个峰值波长使反射峰值强度最大。这些结论也将为基于蛋白石结构响应性光子晶体的应用提供有益参考。 3.显色纤维以其环保性已引起人们的关注。本文通过模仿自然界中微结构,尝试对纤维进行了结构色设计,构造了横截面为蜂窝状海岛型纤维,此种海岛型纤维结构能有效地减小入射光角度对结构色的影响。