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生物结构色机理及仿生构色研究

作　者: 李家文
导　师: 黄文浩
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 测试计量技术与仪器
关键词: 结构色微结构蝴蝶鳞片蛋白石结构胶体晶体纤维结构色
分类号: Q811
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

自然界中许多生物体会产生色彩斑斓的颜色。从显色原理上来说,其颜色一般可分为化学色和物理色。化学色是指通过生物体内所含的色素对光的吸收所引起的颜色；物理色是指光在生物体微结构中产生反射、散射、干涉或衍射所形成的颜色,也称为结构色。由于结构色具有不褪色、环保和虹彩效应等优点,其在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。对自然界中生物结构色形成机理及其应用进行研究,可以促进仿生结构色加工和微纳米光学技术的发展。本文主要研究内容及成果如下：1.结构色能引起不同研究领域科研人员广泛关注,源于在自然界中的结构色与微结构之间的复杂关系。微结构的精确描述及其光学特性分析是一个不断发展和完善的过程。为研究蝴蝶结构色产生机理,本文对三种蝴蝶的鳞片进行结构观测,得到鳞片微观结构的几何参数,并根据微观结构建立结构模型；用时域有限差分法分析鳞片的光学特性,研究结构模型参数对光谱和颜色的影响。S. C. formosana蝴蝶翅膀上闪亮的蓝色是由鳞片表面上脊状结构产生,脊平层与鳞片基底角度较小时,鳞片结构色可用二维塔状结构模型进行分析；当脊平层与鳞片基底角度逐渐增大时,颜色主波长逐渐向短波长移动,亮度逐渐减小。凤蝶P. P. Fabricius和P. lorquinianus鳞翅由上下层两种鳞片组成,鳞翅结构色主要由上层鳞片产生,附着上层鳞片上的脊型结构对结构色基本上没有影响；上层鳞片上的凹坑形状会对颜色产生影响,随着深度逐渐减小,颜色主波长往长波长方向移动,且颜色亮度逐渐增大,当鳞片表面无凹坑时,亮度最大。2.基于蛋白石结构的胶体晶体在显示和传感等领域有着巨大的应用潜力,研究胶体晶体折射率对比度和晶格间距与带隙参数之间的关系对拓展可变结构色的应用具有重要指导意义。本文制备了紧密排列和非紧密排列的两种胶体晶体,通过改变折射率对比度和间隔间距获得可变结构色。研究表明胶体晶体的反射光谱带宽特性和表面颜色受折射率对比度和晶格距离的影响。胶体晶体的反射光谱峰值移动量与晶格间距的变化量近似成线性关系；在胶体晶体晶格变化量相同的情况下,折射率对比度低的胶体晶体能获得更大的峰值位移。在晶格间距相同的情况下,折射率对比度高的胶体晶体有更大的反射峰半宽和更高的峰值强度。对某一特定折射率对比度的胶体晶体,总存在一个峰值波长使反射峰值强度最大。这些结论也将为基于蛋白石结构响应性光子晶体的应用提供有益参考。3.显色纤维以其环保性已引起人们的关注。本文通过模仿自然界中微结构,尝试对纤维进行了结构色设计,构造了横截面为蜂窝状海岛型纤维,此种海岛型纤维结构能有效地减小入射光角度对结构色的影响。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-29
  1.1 结构色概念  12-13
  1.2 自然界中的结构色  13-20
    1.2.1 自然界光学效应及其微结构  13-16
    1.2.2 蝴蝶结构色及其产生机理  16-20
  1.3 结构色加工现状  20-27
    1.3.1 仿生结构色  20-24
    1.3.2 可变结构色  24-27
  1.4 课题来源、研究内容及意义  27-28
  1.5 论文的结构安排  28-29
第2章研究方法  29-42
  2.1 时域有限差分(FDTD)方法  29-35
    2.1.1 FDTD方法简介  29-34
    2.1.2 FDTD Solution使用步骤  34-35
  2.2 反射谱与颜色之间的关系  35-39
    2.2.1 三刺激计算  35-37
    2.2.2 色品坐标计算公式  37-38
    2.2.3 RGB值计算  38-39
  2.3 微区光谱测量装置  39-41
    2.3.1 具有显微功能的微区光谱测量系统搭建  39-40
    2.3.2 样品反射光谱计算及颜色分析  40-41
  2.4 本章小结  41-42
第3章典型蝴蝶翅膀鳞片结构色机理分析  42-60
  3.1 引言  42-43
  3.2 Sasakia charonda formosana蝴蝶鳞翅结构色研究  43-50
    3.2.1 结构观测  43-46
    3.2.2 结构模型建立  46-47
    3.2.3 模拟分析  47-50
  3.3 两种凤蝶鳞翅结构色研究  50-59
    3.3.1 结构观测  50-53
    3.3.2 结构模型建立  53-54
    3.3.3 结构色模拟分析  54-59
      3.3.3.1 脊结构对颜色影响  56-57
      3.3.3.2 鳞片凹坑结构对颜色影响  57-59
  3.4 本章小结  59-60
第4章基于蛋白石结构胶体晶体可变结构色研究  60-76
  4.1 引言  60-62
  4.2 基于胶体晶体结构可变结构色实验  62-66
    4.2.1 密排结构胶体晶体制备  62-63
    4.2.2 PS-PDMS胶体晶体制备  63-66
  4.3 两种胶体晶体的变色机理分析  66-70
    4.3.1 密排结构胶体晶体  67-69
    4.3.2 PS-PDMS胶体晶体  69-70
  4.4 胶体晶体材料参数和结构参数对结构色变化的影响分析  70-75
    4.4.1 蛋白石结构胶体晶体带宽特性  71-73
    4.4.2 可变结构色的应用  73-75
  4.5 本章小结  75-76
第5章纤维结构色构造研究  76-93
  5.1 纤维结构色加工现状  76-77
  5.2 构色理论和自然界中两种柱状二维光子晶体结构  77-80
  5.3 结构设计及颜色模拟  80-91
    5.3.1 二维光子晶体结构参数与颜色关系  81-86
    5.3.2 四方密排结构圆形海岛纤维  86-90
    5.3.3 截面为蜂窝排列海岛纤维  90-91
  5.4 本章小结  91-93
第6章总结和展望  93-96
  6.1 工作总结  93-94
  6.2 研究工作的创新之处  94
  6.3 展望  94-96
参考文献  96-104
致谢  104-106
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  106-107

生物结构色机理及仿生构色研究

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