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基本信息
- 項目名稱：
- 利用結(jié)構(gòu)可控的蛾翅鱗片制備微型光子器件的研究
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 基于天然光子晶體結(jié)構(gòu)的功能材料, 對于光子計算機(jī)和全光通信的研究具有重要意義。然而天然光子晶體及對其復(fù)制得到的功能材料，都存在結(jié)構(gòu)不可調(diào)控的缺陷，制約了其實際應(yīng)用。作者受干海綿和海參吸水膨脹現(xiàn)象啟發(fā)，首次將智能凝膠引入鱗翅目（蝴蝶和蛾）鱗片光子晶體調(diào)控。利用凝膠遇水溶脹、對外加電場和pH值響應(yīng)等特性實現(xiàn)對鱗片微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的人為調(diào)控，研發(fā)了電場驅(qū)動光學(xué)開關(guān)和pH原位光學(xué)檢測器兩種器件。
- 詳細(xì)介紹：
- 具有三維復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)光子晶體的功能材料在下一代光子計算機(jī)設(shè)計中有著關(guān)鍵性的用途。目前，無法通過現(xiàn)有的化學(xué)、物理方法高效制得這種材料。但是，自然界五彩斑斕、多種多樣的鱗翅目生物（蝴蝶和蛾）等生物的鱗片具有人工合成無法企及的精細(xì)分級的光子晶體結(jié)構(gòu)。如何利用這些億萬年自然選擇優(yōu)化所得的寶貴財富，制備出具有天然光子晶體結(jié)構(gòu)的功能材料，為加速光子晶體在全光通信和光子計算機(jī)中的實際應(yīng)用具有重要意義。 國內(nèi)外現(xiàn)有工作中，天然生物光子晶體和對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)制所得的功能材料（參見附件2、3），都存在結(jié)構(gòu)受原始生物組織決定、難以人為調(diào)控的缺陷，嚴(yán)重限制了此類材料的實際應(yīng)用。 針對上述關(guān)鍵科學(xué)問題，作者提出了一條全新的思路，即可通過生物組織對外場的響應(yīng)來改變其本身的結(jié)構(gòu)。一旦成功實現(xiàn)對生物原始組織進(jìn)行有效的調(diào)控，按照光子晶體公認(rèn)的理論，將可實現(xiàn)對數(shù)以百萬計的生物結(jié)構(gòu)的光性能進(jìn)行人為設(shè)計，以滿足多種多樣的實際需要。作者受生活中干海參和海綿吸水后會發(fā)生膨脹現(xiàn)象的啟發(fā)，聯(lián)想到可以利用材料吸水脫水過程中體積的變化來控制天然生物光子晶體內(nèi)部的亞微米級結(jié)構(gòu)，從而人工調(diào)控生物結(jié)構(gòu)對光的響應(yīng)。作者首次將智能凝膠與蛾類生物翅膀鱗片進(jìn)行復(fù)合，實現(xiàn)了利用電場、環(huán)境pH值等外界因素對鱗片內(nèi)部亞微米級三維光子晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)控，進(jìn)而研發(fā)了兩種新型光學(xué)器件。 所研發(fā)的電場驅(qū)動光學(xué)元件，在直流電的作用下，可見光譜的反射峰移動范圍可達(dá)150nm（可見光總體范圍的三分之一左右），可以直接觀測到鱗片光子晶體的顏色由紅色變?yōu)榫G色，可作為一種小尺度、高效光控開關(guān)應(yīng)用于微機(jī)電控制系統(tǒng)。 所研發(fā)的pH原位光學(xué)檢測器，以嵌入高分子薄膜的蛾翅鱗片亞微米結(jié)構(gòu)為器件的光學(xué)響應(yīng)核心，利用智能凝膠對pH值的響應(yīng)，所獲檢測器反射光譜譜峰總體移動范圍可達(dá)260 nm。此pH檢測器制備簡單、成本低廉，具有生物相容性，適用于對環(huán)境pH值變化進(jìn)行檢測，尤其可對酸堿突變行為進(jìn)行監(jiān)測，可用于人體診斷及生物醫(yī)療器械。 本研究成果已經(jīng)被發(fā)表在多個學(xué)術(shù)期刊上, 其中申請人作為第一作者，已經(jīng)被材料化學(xué)雜志（J. Mater. Chem.，影響因子4.8）接收論文一篇，并另有一篇論文投稿SCI論文源雜志。作為共同第二作者，已被德國應(yīng)用化學(xué)（Angew. Chem. Int. Ed.，影響因子11.8）錄用論文一篇。作為第二作者，在材料化學(xué)雜志（J. Mater. Chem.）已發(fā)表論文一篇,該論文被英國皇家化學(xué)學(xué)會網(wǎng)站作為熱點(diǎn)論文（Hot Topic）重點(diǎn)推薦（Highlight）。申請發(fā)明專利一項。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 自然界五彩斑斕的生物光子晶體具有人工合成無法企及的精細(xì)結(jié)構(gòu)。但現(xiàn)有工作中的天然光子晶體及對其復(fù)制得到的功能材料，都具有結(jié)構(gòu)不可調(diào)控的缺陷。實現(xiàn)對其微觀結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的人為調(diào)控，是此類材料推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。 作者受干海參和海綿吸水膨脹現(xiàn)象的啟發(fā)，首次利用凝膠遇水溶脹、隨外加電場脫水收縮及對pH值響應(yīng)等特性對鱗片人工調(diào)控，發(fā)明了兩種可應(yīng)用于微機(jī)電控制和光學(xué)檢測的新型器件。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 本研究實現(xiàn)了對生物光子晶體微觀結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的連續(xù)人工調(diào)控，拓展了生物功能材料的選擇范圍，為設(shè)計開發(fā)新型光子晶體提供了新的理論驗證模型和應(yīng)用實例。 首次將智能凝膠引入生物光子晶體微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能調(diào)控體系，實現(xiàn)了利用電場、環(huán)境pH值等外界因素對天然亞微米級三維光子晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)控。 研究立足前沿?zé)狳c(diǎn)，啟迪于自然和生活，內(nèi)容國內(nèi)外尚未見報道，為先發(fā)性的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 基于理論研究，發(fā)明了新型電場驅(qū)動光學(xué)開關(guān)和pH值原位光學(xué)檢測器件各一種。電場驅(qū)動光學(xué)開關(guān)，可見光譜的譜峰移動范圍可達(dá)150 nm，可應(yīng)用于微機(jī)電控制系統(tǒng)。pH原位光學(xué)檢測器，光譜譜峰移動范圍可達(dá)260 nm；適用于對pH值變化進(jìn)行檢測，尤其可對酸堿突變進(jìn)行監(jiān)測，可用于人體診斷及生物醫(yī)藥器械。與同類器件相比，以上兩種器件具有體積小、制備簡單、成本低、生物相容性好、可調(diào)節(jié)性高等優(yōu)點(diǎn)。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本研究從天然生物光子晶體難以調(diào)控這一普遍性問題出發(fā)，首次將智能凝膠與蛾類生物翅膀鱗片進(jìn)行復(fù)合，實現(xiàn)了利用電場、環(huán)境pH值等外界因素對鱗片內(nèi)部亞微米級三維光子晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)控。進(jìn)而制作了兩種基于可調(diào)生物光子晶體的新元件。包括：1、發(fā)明了一種電場驅(qū)動光學(xué)器件。在直流電的作用下，可見光譜的反射峰移動范圍可達(dá)150 nm，可作為一種小尺度、高效控光開關(guān)。2、發(fā)明了一種pH值原位光學(xué)檢測器，利用智能凝膠對pH值的響應(yīng)，以嵌入高分子薄膜的蝶翅鱗片亞微米結(jié)構(gòu)為器件的光學(xué)響應(yīng)核心，所獲檢測器反射光譜譜峰總體移動范圍可達(dá)260 nm，顏色由紅色轉(zhuǎn)為藍(lán)綠色。此pH值檢測器制備簡單、成本低廉、具有生物相容性的優(yōu)點(diǎn)，適用于對環(huán)境pH值變化進(jìn)行檢測，尤其可對酸堿突變行為進(jìn)行監(jiān)測，還可用于生物體檢測及生物醫(yī)療器械。
獲獎情況
- 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，已錄用。 2.Versatile fabrication of intact 3D metallic(Ag, Au, Co, Cu, Ni, Pd, and Pt)butterfly wing scales with hierarchical sub-micrometer structures, Angew. Chem. Int. Ed.,(IF=11.8),共同第二作者，已錄用。 3.ZnO single butterfly wing scales: Synthesis and spatial optical anisotropy, J. Mater. Chem.,(IF=4.8),2011, 21, 6140-6143.第二作者，已發(fā)表，該論文作為熱點(diǎn)文章（hot topic），在英國皇家化學(xué)會網(wǎng)站上推薦（highlight）。 4.Moth wing scales as optical pH monitoring sensors, Mater. Lett., 第一作者，已投稿. 5. 申請發(fā)明專利一項：《一種基于蝴蝶與蛾類生物鱗片的新型原位光學(xué)pH值檢測器》。 6.第十二屆 “挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技作品競賽本?。ㄊ校┨氐泉?。
鑒定結(jié)果
- 針對本作品，J.M.C.兩位匿名審稿人意見： 一：“該工作通過改變水凝膠的溶脹程度，調(diào)節(jié)了蛾翅鱗片的反射光譜。這個現(xiàn)象十分有趣。” 二：“該工作在天然復(fù)雜結(jié)構(gòu)的人工仿生合成領(lǐng)域具有創(chuàng)新性?！?/dd>
參考文獻(xiàn)
- 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 structure of the papilio blumei butterfly, Nat. Nanotechnol., 2010, 5, 7. 3.A. R. Parker, H. E. Townley, Biomimetics of photonic nanostructures, Nat. Nanotechnol., 2007, 2, 6. 4.L. P. Biro, K. Kertesz, et al., Light in Nature Ii Photonic nanoarchitectures occurring in butterfly scales as selective gas/vapor sensors. Nature, 2008, 7057. 5.M. Nishino, J. P. Gong, Y. Osada, Polym gels as a chemical valve, Bioseparation, 1998, 7, 4-5. 6.S. Sershen, J. West, Implantable polymeric systems for modulated drug delivery, Adv. Drug. Deliver. Rev., (vol 54, pg 1225, 2002) 2003, 55, 3.
同類課題研究水平概述
- 近年來具有復(fù)雜光子晶體結(jié)構(gòu)材料的合成成為材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但現(xiàn)有工作都無法克服復(fù)雜結(jié)構(gòu)三維光子晶體材料制備上的技術(shù)瓶頸，存在制備過程費(fèi)時費(fèi)力、所得材料結(jié)構(gòu)單一等問題。而自然界生物體通過億萬年的進(jìn)化，獲得了多種多樣的精細(xì)復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)。尤其如鱗翅目生物（蝴蝶和蛾）的翅膀鱗片為典型的光子晶體結(jié)構(gòu)。由于蝴蝶及蛾種類多達(dá)十七余萬種，具有豐富的鱗片結(jié)構(gòu)，如果能充分利用這些自然的財富，可為解決上述關(guān)鍵技術(shù)難題提供重要的現(xiàn)實途徑，因此近年來該研究方向在國際上應(yīng)起了廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究多次在Nature、Science等一流期刊上發(fā)表。 目前研究的熱點(diǎn)主要集中于如何將這些生物體分級精細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)制為特定的功能材料，并應(yīng)用到新型功能器件的開發(fā)之中。近幾年各國研究者采用物理、化學(xué)方法，以鱗翅目生物為模板，對其進(jìn)行直接復(fù)制制備。國際上如Cook等用化學(xué)氣相沉積法(CVD)用SiO2材料復(fù)制孔雀蛺蝶(Peacock butterfly)鱗片。Silver等采用溶膠-凝膠(sol-gel)法復(fù)制出TiO2材質(zhì)的閃蝶(Morpho pleides)鱗片。在國內(nèi)，張荻教授領(lǐng)導(dǎo)的遺態(tài)材料課題組，通過多種溶液化學(xué)手段，如用浸泡吸附再燒結(jié)的方法，用ZnO、ZrO2合成了具有完整細(xì)節(jié)的鱗片光子結(jié)構(gòu)。然而，這些研究中存在的最大問題是，所得的功能材料均為生物原始結(jié)構(gòu)的復(fù)制品，無法在制備過程中調(diào)控最終材料的結(jié)構(gòu)尺度及光學(xué)性能。通過改變原始生物模板尺度，來調(diào)控生物光子晶體物理性能，進(jìn)而制作可調(diào)光學(xué)器件的研究，國際范圍內(nèi)至今尚未見報道。
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