基本信息
- 项目名称：
- 利用结构可控的蛾翅鳞片制备微型光子器件的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 基于天然光子晶体结构的功能材料, 对于光子计算机和全光通信的研究具有重要意义。然而天然光子晶体及对其复制得到的功能材料，都存在结构不可调控的缺陷，制约了其实际应用。作者受干海绵和海参吸水膨胀现象启发，首次将智能凝胶引入鳞翅目（蝴蝶和蛾）鳞片光子晶体调控。利用凝胶遇水溶胀、对外加电场和pH值响应等特性实现对鳞片微观结构和光学性能的人为调控，研发了电场驱动光学开关和pH原位光学检测器两种器件。
- 详细介绍：
- 具有三维复杂精细结构光子晶体的功能材料在下一代光子计算机设计中有着关键性的用途。目前，无法通过现有的化学、物理方法高效制得这种材料。但是，自然界五彩斑斓、多种多样的鳞翅目生物（蝴蝶和蛾）等生物的鳞片具有人工合成无法企及的精细分级的光子晶体结构。如何利用这些亿万年自然选择优化所得的宝贵财富，制备出具有天然光子晶体结构的功能材料，为加速光子晶体在全光通信和光子计算机中的实际应...(查看更多)
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 自然界五彩斑斓的生物光子晶体具有人工合成无法企及的精细结构。但现有工作中的天然光子晶体及对其复制得到的功能材料，都具有结构不可调控的缺陷。实现对其微观结构及光学性能的人为调控，是此类材料推广应用的关键。 作者受干海参和海绵吸水膨胀现象的启发，首次利用凝胶遇水溶胀、随外加电场脱水收缩及对pH值响应等特性对鳞片人工调控，发明了两种可应用于微机电控制和光学检测的新型器件。
科学性、先进性及独特之处
- 本研究实现了对生物光子晶体微观结构及光学性能的连续人工调控，拓展了生物功能材料的选择范围，为设计开发新型光子晶体提供了新的理论验证模型和应用实例。 首次将智能凝胶引入生物光子晶体微观结构和光学性能调控体系，实现了利用电场、环境pH值等外界因素对天然亚微米级三维光子晶体结构的调控。 研究立足前沿热点，启迪于自然和生活，内容国内外尚未见报道，为先发性的应用基础研究。
应用价值和现实意义
- 基于理论研究，发明了新型电场驱动光学开关和pH值原位光学检测器件各一种。电场驱动光学开关，可见光谱的谱峰移动范围可达150 nm，可应用于微机电控制系统。pH原位光学检测器，光谱谱峰移动范围可达260 nm；适用于对pH值变化进行检测，尤其可对酸碱突变进行监测，可用于人体诊断及生物医药器械。与同类器件相比，以上两种器件具有体积小、制备简单、成本低、生物相容性好、可调节性高等优点。
学术论文摘要
- 本研究从天然生物光子晶体难以调控这一普遍性问题出发，首次将智能凝胶与蛾类生物翅膀鳞片进行复合，实现了利用电场、环境pH值等外界因素对鳞片内部亚微米级三维光子晶体结构的调控。进而制作了两种基于可调生物光子晶体的新元件。包括：1、发明了一种电场驱动光学器件。在直流电的作用下，可见光谱的反射峰移动范围可达150 nm，可作为一种小尺度、高效控光开关。2、发明了一种pH值原位光学检...(查看更多)
获奖情况
- 1.Tunable optical photonic devices made from moth wing scales: Way to enlarge natural functional structures’ pool, J. Mater. Chem., (IF=4.8),第一作者，已录用。 2.Versatile fabrication of intact 3D me...(查看更多)
鉴定结果
- 针对本作品，J.M.C.两位匿名审稿人意见： 一：“该工作通过改变水凝胶的溶胀程度，调节了蛾翅鳞片的反射光谱。这个现象十分有趣。” 二：“该工作在天然复杂结构的人工仿生合成领域具有创新性。”
参考文献
- 1.E. Yablonovitch, Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics, Phys. Rev. Lett., 1987, 58, 20. 2.M. Kolle, P. M., et al., Mimicking the colourful wing scale structu...(查看更多)
同类课题研究水平概述
- 近年来具有复杂光子晶体结构材料的合成成为材料学、物理学、化学等相关领域的研究热点。但现有工作都无法克服复杂结构三维光子晶体材料制备上的技术瓶颈，存在制备过程费时费力、所得材料结构单一等问题。而自然界生物体通过亿万年的进化，获得了多种多样的精细复杂功能结构。尤其如鳞翅目生物（蝴蝶和蛾）的翅膀鳞片为典型的光子晶体结构。由于蝴蝶及蛾种类多达十七余万种，具有丰富的鳞片结构，如果能...(查看更多)
