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用具有重要意义。 国内外现有工作中，天然生物光子晶体和对其结构进行复制所得的功能材料（参见附件2、3），都存在结构受原始生物组织决定、难以人为调控的缺陷，严重限制了此类材料的实际应用。 针对上述关键科学问题，作者提出了一条全新的思路，即可通过生物组织对外场的响应来改变其本身的结构。一旦成功实现对生物原始组织进行有效的调控，按照光子晶体公认的理论，将可实现对数以百万计的生物结构的光性能进行人为设计，以满足多种多样的实际需要。作者受生活中干海参和海绵吸水后会发生膨胀现象的启发，联想到可以利用材料吸水脱水过程中体积的变化来控制天然生物光子晶体内部的亚微米级结构，从而人工调控生物结构对光的响应。作者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，进而研发了两种新型光学器件。 所研发的电场驱动光学元件，在直流电的作用下，可见光谱的反射峰移动范围可达150nm（可见光总体范围的三分之一左右），可以直接观测到鳞片光子晶体的颜色由红色变为绿色，可作为一种小尺度、高效光控开关应用于微机电控制系统。 所研发的pH原位光学检测器，以嵌入高分子薄膜的蛾翅鳞片亚微米结构为器件的光学响应核心，利用智能凝胶对pH值的响应，所获检测器反射光谱谱峰总体移动范围可达260 nm。此pH检测器制备简单、成本低廉，具有生物相容性，适用于对环境pH值变化进行检测，尤其可对酸碱突变行为进行监测，可用于人体诊断及生物医疗器械。 本研究成果已经被发表在多个学术期刊上, 其中申请人作为第一作者，已经被材料化学杂志（J. Mater. Chem.，影响因子4.8）接收论文一篇，并另有一篇论文投稿SCI论文源杂志。作为共同第二作者，已被德国应用化学（Angew. Chem. Int. Ed.，影响因子11.8）录用论文一篇。作为第二作者，在材料化学杂志（J. Mater. Chem.）已发表论文一篇,该论文被英国皇家化学学会网站作为热点论文（Hot Topic）重点推荐（Highlight）。申请发明专利一项。
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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值原位光学检测器，利用智能凝胶对pH值的响应，以嵌入高分子薄膜的蝶翅鳞片亚微米结构为器件的光学响应核心，所获检测器反射光谱谱峰总体移动范围可达260 nm，颜色由红色转为蓝绿色。此pH值检测器制备简单、成本低廉、具有生物相容性的优点，适用于对环境pH值变化进行检测，尤其可对酸碱突变行为进行监测，还可用于生物体检测及生物医疗器械。
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 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，已录用。 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，已发表，该论文作为热点文章（hot topic），在英国皇家化学会网站上推荐（highlight）。 4.Moth wing scales as optical pH monitoring sensors, Mater. Lett., 第一作者，已投稿. 5. 申请发明专利一项：《一种基于蝴蝶与蛾类生物鳞片的新型原位光学pH值检测器》。 6.第十二届 “挑战杯”大学生课外科技作品竞赛本省（市）特等奖。
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 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，如果能充分利用这些自然的财富，可为解决上述关键技术难题提供重要的现实途径，因此近年来该研究方向在国际上应起了广泛的关注，相关研究多次在Nature、Science等一流期刊上发表。 目前研究的热点主要集中于如何将这些生物体分级精细结构复制为特定的功能材料，并应用到新型功能器件的开发之中。近几年各国研究者采用物理、化学方法，以鳞翅目生物为模板，对其进行直接复制制备。国际上如Cook等用化学气相沉积法(CVD)用SiO2材料复制孔雀蛱蝶(Peacock butterfly)鳞片。Silver等采用溶胶-凝胶(sol-gel)法复制出TiO2材质的闪蝶(Morpho pleides)鳞片。在国内，张荻教授领导的遗态材料课题组，通过多种溶液化学手段，如用浸泡吸附再烧结的方法，用ZnO、ZrO2合成了具有完整细节的鳞片光子结构。然而，这些研究中存在的最大问题是，所得的功能材料均为生物原始结构的复制品，无法在制备过程中调控最终材料的结构尺度及光学性能。通过改变原始生物模板尺度，来调控生物光子晶体物理性能，进而制作可调光学器件的研究，国际范围内至今尚未见报道。
