蝶翅辐射降温特性及宽带反射光学机理探索研究
发布时间：2020-06-24 11:25
【摘要】：近年来生物结构色在材料学、生物学、物理学等领域引起了广泛关注,相对彩色结构色而言关于宽带反射产生的白色结构色的研究与报道较少。而研究自然界生物微观结构宽带反射产生白色的机理,可为人工仿生制备热调节、光调节功能材料提供启迪,在精密光学仪器、降温涂层等诸多领域有着广泛的应用前景。本文聚焦自然界中白色蝴蝶,研究其鳞片微观结构与光学反射光谱的关系,选出具有显著宽带反射特性的蝴蝶,探究其热调控效应,为高效控温材料的研究提供重要启迪,并建立其蝶翅鳞片微观结构3D模型通过FDTD有限元软件分析其宽带反射产生白色机制。本文的具体研究结果如下:一.选取8种不同品种的白色蝴蝶鳞片进行了可见光波段的光谱及形貌表征的对比分析,得到了宽带反射效果最显著的蝴蝶为尖翅银灰蝶,并进一步对尖翅银灰蝶进行了中红外光谱测试及降温特性测试,结果表明:其对中红外光有降低反射的作用,符合选择性辐射器的特征;并且覆盖白色鳞片比无白色鳞片的尖翅银灰蝶蝶翅表面的最高温降低了约5℃。二.通过光学显微镜观察到尖翅银灰蝶单个鳞片滴加溴仿前后颜色发生变化,从鲜明的彩色条纹转变为无色,且多层鳞片叠加后,鳞片上的彩色条纹逐渐变淡转为白色且亮度逐渐提高,表明尖翅银灰蝶白色结构色产生的原理是颜色混合,并通过FDTD模拟得到验证。进一步通过FDTD模拟分析蝶翅微观结构各个组成部分对宽带反射的影响,将鳞片的宽带反射结构简化为由上层圆弧形且厚度变化的层、中间厚度变化的空气层和平板底层三层材料组成的结构,提出了更易于制备的3D模型。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34;O435.1
【图文】：
所以只能依靠最基本的反射、衍射、干涉等现象产生特定的颜色，此求生物还需将自身的厚度和重量控制在一定范围内。因此生物进化产往往是高效利用材料的精细复杂体系。构色的产生机制主要是光学相干和非相干效应等基本光学现象[7]。材料期性或有序排布将使特定波长的反射光产生光学相干效应进而使材料结构色。相对光学相干产生的彩色结构色而言光学相干或非相干效应构色在自然界中相对少见，因为其需要材料的微观结构能够对可见光即对各个波长的可见光产生同样或近似强度的散射。本文从布拉格反射结构的多重散射和颜色混合效应来阐述自然界中宽带反射产生白色的海洋动物、植物、甲虫、蝴蝶等生物的宽带反射产生机理，并对一些复其他光学特性进行了分析，各生物光学机理归纳如表 1-1 所示，最后能材料在工程技术中的应用进行了展望。研究自然界宽带反射光学机理仿生制备光调节功能材料提供启迪，在精密光学仪器、显示屏幕、发光层等诸多领域有着广泛的应用前景。
上海交通大学硕士学位论文4图1-2 (a)薄膜干涉示意图[8](b)多层干涉示意图[8](c)三种鱼类常见的宽带反射：多层堆叠、啁啾、混沌模型[9]Fig.1-2 (a) Schematic diagram of thin-film interference[8](b) Schematic illustration of multilayerinterference[8](c) Three existing radial variation models for broadband reflectance by silvery fish: themulti-stack, chirped and chaotic models[9]1.2.1.2 海洋动物的复杂多层结构海洋中视野和陆地上相比更加开阔，鱼类和头足类动物（鱿鱼、章鱼、墨鱼等）等生活在海洋生物为了躲避天敌都进化出了保护色，如，大部分的鱼下腹部都是白色。此外，鱼类的结构色还可用于信息交流等生物用途[12]。除最基本的布拉格反射器外，近年来在鱼类中发现许多更复杂的多层结构。Bell 等人[13]研究鱿鱼(Sepioloidealineolata)发现其色素细胞组成了一个完整的光学体系，如图 1-3(a)所示，这种光学体系比较接近混沌模型的多层结构仅在片层排布的方向上有所不同，可以有效消除镜面效应
本文编号：2727802
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34;O435.1
【图文】：
所以只能依靠最基本的反射、衍射、干涉等现象产生特定的颜色，此求生物还需将自身的厚度和重量控制在一定范围内。因此生物进化产往往是高效利用材料的精细复杂体系。构色的产生机制主要是光学相干和非相干效应等基本光学现象[7]。材料期性或有序排布将使特定波长的反射光产生光学相干效应进而使材料结构色。相对光学相干产生的彩色结构色而言光学相干或非相干效应构色在自然界中相对少见，因为其需要材料的微观结构能够对可见光即对各个波长的可见光产生同样或近似强度的散射。本文从布拉格反射结构的多重散射和颜色混合效应来阐述自然界中宽带反射产生白色的海洋动物、植物、甲虫、蝴蝶等生物的宽带反射产生机理，并对一些复其他光学特性进行了分析，各生物光学机理归纳如表 1-1 所示，最后能材料在工程技术中的应用进行了展望。研究自然界宽带反射光学机理仿生制备光调节功能材料提供启迪，在精密光学仪器、显示屏幕、发光层等诸多领域有着广泛的应用前景。
上海交通大学硕士学位论文4图1-2 (a)薄膜干涉示意图[8](b)多层干涉示意图[8](c)三种鱼类常见的宽带反射：多层堆叠、啁啾、混沌模型[9]Fig.1-2 (a) Schematic diagram of thin-film interference[8](b) Schematic illustration of multilayerinterference[8](c) Three existing radial variation models for broadband reflectance by silvery fish: themulti-stack, chirped and chaotic models[9]1.2.1.2 海洋动物的复杂多层结构海洋中视野和陆地上相比更加开阔，鱼类和头足类动物（鱿鱼、章鱼、墨鱼等）等生活在海洋生物为了躲避天敌都进化出了保护色，如，大部分的鱼下腹部都是白色。此外，鱼类的结构色还可用于信息交流等生物用途[12]。除最基本的布拉格反射器外，近年来在鱼类中发现许多更复杂的多层结构。Bell 等人[13]研究鱿鱼(Sepioloidealineolata)发现其色素细胞组成了一个完整的光学体系，如图 1-3(a)所示，这种光学体系比较接近混沌模型的多层结构仅在片层排布的方向上有所不同，可以有效消除镜面效应
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1 王丹彤;蝶翅辐射降温特性及宽带反射光学机理探索研究[D];上海交通大学;2018年
本文编号：2727802
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