科学家受蝴蝶翅膀启发打造新一代光子晶体

2023-03-28 10:42

近日，科学家们受到蝴蝶翅膀仿生特性的启发，重新创造了一个以前只在自然界中发现的复杂结构，这将有望开辟操纵和控制光的新方法，从而打造新一代的光子晶体。

根据伯明翰大学研究人员的一项新研究，这种结构可以在某些蝴蝶的翅膀鳞片中找到，它可以作为光子晶体发挥作用。它可以用来控制可见光谱范围内的光，应用于激光、传感器和太阳能电池板中。

这项发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上的新研究表明，天然存在的复杂陀螺结构可以由数百纳米大小的胶体颗粒自组装而成。

陀螺仪是典型的曲面，它把空间分成两个交织的通道。这些通道中的每一个都可以有一个具有三重连通性的链接顶点的网络展示，并沿特定方向（右或左）穿过空间。这种扭曲使得每个网络都像手性的左手和右手，它们的镜像不能相互叠加。虽然这种手性赋予了光子晶体额外的光学性质，但当两个相反手性的网络以双陀螺结构的形式在一起时，它就丢失了——这可能发生在某些合成系统中。

在他们的最新工作中，研究人员首先提出了一种由胶体球构建的单网络陀螺结构，作为自组装的目标，然后在计算机模拟中建立了制造这种手性晶体结构的设计原则。

《先进材料》论文的合著者Angela Demetriadou博士表示：“这是一种新的、令人兴奋的方法，可以制造具有特殊的、量身定制的手性光学特性的纳米光子介质，对它们的特性提供了非常灵活程度的控制。”

伯明翰大学的科学家们表示，到目前为止，对自组装胶体光子晶体的研究主要集中在金刚石结构上。然而，胶体金刚石的自组装提出了许多挑战，包括在光学器件中作为光子晶体的实际应用中选择立方形式而不是六边形形式的要求。

而新的方法涉及“斑片状球体”（patchy spheres），它有一个设计装饰的表面来编码目标结构的信息——单个胶体陀螺。表面的装饰部分具有粘性，将颗粒聚集在一起，形成网状结构。此外，该工作还表明，单胶体回线由于其手性，也具有金刚石结构所缺乏的有趣的光学性质。

伯明翰大学化学学院的通讯作者Dwaipayan Chakrabarti博士表示：“据我们所知，这是首次实现由设计构件直接自组装单个胶体陀螺结构。我们希望我们的新方法将进一步启发胶体自组装领域的深入研究，特别是基于这一令人兴奋的发展的实验努力。”

纽约大学的胶体合成和新材料自组装专家Stefano Sacanna教授评价称：“利用巧妙的斑块状设计的球体，它们自下而上的胶体陀螺结构路线为新一代实验可实现的光子晶体铺平了道路。”