绿带翠凤蝶蓝色鳞片微纳结构模型优化设计

史　迎， 邬文俊

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

绿带翠凤蝶蓝色鳞片微纳结构模型优化设计

史迎， 邬文俊

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]从微纳结构出发，选取与闪蝶呈现出相同色彩的绿带翠凤蝶蝶翅为研究对象，提出一种便于制造的优化设计方法。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析工具，对绿带翠凤蝶后翅蓝色鳞片结构进行实验研究，对比分析其表面结构和横截面结构，提取结构参数，建立层状和塔状仿真模型，将仿真数据与实际测试数据对比分析，建立一种既能与测试数据相吻合又能节约成本的棱纹状约束模型，为后续仿生微纳结构应用于制造提供理论参考。

[关键词]微纳结构； 优化设计； 结构参数

微纳米结构材料是一种倍受关注的新型结构材料，而仿生微纳结构更是引人瞩目。耶鲁大学R.O.Prum教授确定了蝶翅鳞片内部的空间结构，将微纳结构的研究带入了一个新的时代；新加坡科学技术研究局的H.Y.Low小组利用光刻技术制造出了具有微纳结构的聚碳酸酯薄膜[1]。在国内，上海交通大学张荻教授课题组采用浸渍方法研究出具有生物蝶翅功能特性的三维结构氧化物。然而，目前的仿生制造都很难避免成本高、工艺复杂的不足，使得微纳结构的应用难以迈出实质性的一步。因此，设计出一种低成本、便于制造的微纳结构模型十分必要。本研究利用绿带翠凤蝶特有的微纳结构，建立了三维结构模型，为微纳结构的制造提供借鉴。

1试验分析

1.1蝶翅微观结构分析

在体视显微镜(OM)下观察，首先确定放大倍数。由于鳞片非常小，因此要选择5000倍观察。调整完倍数后，调整粗准焦螺旋，在操作过程中，应遵循将物镜倍数调到最小，然后慢慢增加，避免物镜与样品接触，损坏其内部结构[2]。在调节观察视野时，会发现相对清晰的图像时，应调节细准焦螺旋，通过改变焦距获得最佳清晰的结构，然后拍照保存(图1)。

图 1　绿带翠凤蝶及蓝色鳞片OM图

通过扫描电镜(SEM)观察位于蝶后翅的蓝色鳞片微结构(图2a)，当将目镜的倍数设置为500时，可以发现类似于花瓣形状的鳞片，但是单个鳞片表面不光滑，呈现凹坑形格子形状，仔细观察会发现其纵向分布有11到16条不等的平行脊脉结构。进一步放大至1000倍(图2b)和5000倍(图2c)时，沿纵轴方向，凸显的相邻脊脉间稍微有点错位排列，脊与脊之间的脊脉等距离平行排列，脊脉厚度和脊间距分别约为1 μm和5 μm；在纵向脊脉间有不均匀分布的横向短肋，短肋的厚度比纵向脊脉间距小，约为1.5 μm，分布在无规则短肋所形成的脊脉间，并且以短肋和脊脉为边界构成一个凹状结构。

图 2　绿带翠凤蝶蓝色鳞片SEM图

鳞片在电子透镜(TEM)下所显示的横截面结构，是由一凸凹不平且不光滑的单元体结构组成。根据薄层结构所分布的部位不同，可以将绿带翠凤蝶的蓝色鳞片结构分为两种：第一类是等厚等间距左右交错分布的塔状平行薄膜结构(图3a)；第二类是等厚等间距连续的凹坑形水平平行排列薄膜结构(图3b)。第一类薄膜结构约有10～12层薄片，层厚和层间距分别约为30 nm、50 nm，第二类是具有8层平行排列的薄膜结构，薄厚和薄间距分别约为80 nm、60 nm。因此，从测试和理论分析可知，具有蓝色鳞片的绿带翠凤蝶的微纳结构，不论是第一类型还是第二类型都是分布均匀的多层薄膜结构，唯一的区别在于分布的位置和薄层的形状不同。

(a)第一类型　　　　(b)第二类型图 3　绿带翠凤蝶蓝色鳞片TEM图

1.2鳞片耦合结构分析

由以上分析可知，绿带翠凤蝶的微纳结构是一个非光滑多层薄膜结构。从薄层的形态和分布角度考虑，绿带翠凤蝶的微纳结构可归纳为两类：第一类为层状平行多层薄膜结构，第二类为塔状多层膜结构。层状多层薄膜结构是由脊状结构的主脊及多层薄片层相互平行堆积而成；塔状多层膜结构较为复杂，是由树状层脊结构和作为衔接作用的基底组成，薄层周期性出现在主脊两侧，塔状结构之间相互独立(图4)。

图 4　鳞片微观结构横截面TEM图

通过研究发现，蝴蝶鳞片的结构色与耦合结构密切相关，结构不同，其对应介质层折射率不同，则在干涉光作用下呈现不同的色彩[3]。

2鳞片结构模型的建立

根据上述两类鳞片结构的天然层脊结构，建立如图5所示的结构模型，模型中各个参数均来源于测试。具体操作是将蓝色鳞片的脊脉截面图导入AutoCAD中[4]，设置基准，测量出复杂层脊结构的层高、脊间距和脊角度等一系列参数，得到以下两种模型。

A模型(层状平行多层膜结构)：这是一个简化程度较大的三维结构，模型有8层，每层均相互平行且层厚和间距均相同，薄层厚度约为80 nm，层脊结构由空气间隙层和有机物薄层交替排列组成，有机物薄层与空气层的间距约为60 nm，如图5a所示，灰色层表示有机物层，有机物层之间填充的是空气层。

B模型(塔状多层膜结构)：这是一种非常接近实际结构的简化模型，主脊的左右两侧单独用矩形薄层来表示，略微错开，如图5b所示，空气薄层和有机介质层均通过基底连接，并且左右两部分的矩形薄层都与基底平行，间隙层和薄层的厚度均不随着层数的增加而改变，层厚度约为90 nm。

图 5　两种模型结构

为了进一步验证上述模型是否合理，通过光学仿真软件RsoftCAD中的DiffractMOD模块，对两种具有光栅结构的模型进行仿真分析，图6所示为仿真得到的反射光谱与绿带翠凤蝶实际测试光谱对比。

图 6　两种模型的仿真光谱和测试光谱

从图6中可知，测试所取得的绿带翠凤蝶翅实际反射率光谱与A、B两种模型的仿真反射率光谱的反射光谱峰值均小于60%[5]。从图中发现，A模型的反射光谱图在波峰的左侧前半部分与实际测试光谱较为符合，但是在波峰位置和波峰右侧部分却有明显差异，误差较大。B模型反射光谱曲线在波峰左侧近似以指数分布的形式上升，相对实际光谱曲线整体向左侧偏移，这是由于仿真参数设置时，时间参数不一致所导致，但整体波形基本相同，波峰值也接近，因此B模型较符合实际结构。

通过上述分析可知，错层结构最接近实际结构，然而从节约成本和制造的角度考虑，现有的加工工艺无法满足错层结构的加工要求，因此，结合上述两种模型结构，建立了棱纹形塔状多层膜结构(图7)。

图 7　棱纹形塔状多层膜结构模型

利用RsoftCAD仿真软件，将棱纹形塔状多层膜结构模型与实际测试光谱对比(图8)，可发现棱纹形模型反射光谱与实际测试的反射光谱波形相近，且都在620 nm波长附近达到峰值。因此，将模型优化设计为棱纹形塔状结构是较为合理的。

3结论

1)翅面鳞片呈现蓝色的原因，是由于其表面的结构为多薄层结构，每片薄层之间又由介质层隔开，在光照作用下，会发生干涉，呈现一定的表面颜色。

2)绿带翠凤蝶在光照下呈现不同色彩与其结构密切相关。绿带翠凤蝶蓝色鳞片的表面形态分为层状结构和塔状结构，根据薄层的分布位置不同，其所具有的特征不同，而这些特征决定反射光的颜色。

3)对比分析两种不同模型结构，优化设计得到既能满足工艺要求又能和测试结果较为匹配的棱纹形结构模型，为仿生结构应用于实践提供一种新的思路。

[参考文献]

[1]谭勇文.仿蝶翅微纳结构金属功能材料的制备及光响应特性研究[D].上海：上海交通大学,2013.

[2]关会英.典型蝴蝶鳞片结构色形成机理及其微观结构研究[D].长春：吉林大学,2007.

[3]邱兆美,韩志武.蝴蝶鳞片微观结构与模型分析[J].农业机械学报,2009(11):193-196，207.

[4]邬文俊.蝶翅微纳结构的光学特性及变色机理研究[D].武汉：华中科技大学,2012.

[5]邱兆美.蝴蝶鳞片微观耦合结构及其光学性能与仿生研究[D].长春：吉林大学,2008.

[责任编校： 张众]

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

[基金项目]国家自然科学基金(51305129)； 湖北省教育厅青年基金(Q20151411)

[作者简介]史迎(1990-)， 女，湖北黄冈人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为精密仪器及机械

[文章编号]1003-4684(2016)02-0013-03

[中图分类号]TB17

[文献标识码]：A