小灰蝶鳞片微结构及其吸光机理研究#邬立岩，宋玉秋*（沈阳农业大学工程学院，沈阳110866）51015202530摘要：小灰蝶（HeliophorusilaLycaenidae）翅面鳞片对太阳光具有很高的吸收率，将太阳能转换成维持机体的热能，前期分光计试验显示：小灰蝶的吸光率可达到85%，鳞片内部结构及其吸光机理分析对太阳能热利用研究具有重要意义。本文通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析鳞片微结构特征，建立简化模型，并利用多重反射陷光结构、光学谐振腔理论揭示了吸光机理。结果表明：小灰蝶吸光鳞片具有两种不同的吸光机制，顶层斜面与中空结构对入射光发生多重反射与折射作用，增加光程；底层的中空结构形成了矩形谐振腔的储能结构，通过这两种结构共同作用，实现对太阳光高效吸收。该成果对后续太阳能热利用结构型材料仿生设计奠定了理论基础。关键词：仿生学；太阳能热利用；蝴蝶鳞片；微结构；谐振腔：Ｑ６３StudyonmicrostructureandopticalmechanismofbutterflyHeliophorusilaLycaenidaescalesWULiyan,SONGYuqiu(AgriculturalEngineeringSchool,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866)Abstract:WingscalesofbutterflyHeliophorusilaLycaenidaehadveryhighsunlightabsorptivitythatcouldconvertthesolarenergytoheattomaintainthebodywarmness.Earlyspectrometerexperimentresultsshowedthattheabsorptivitycouldreach85%.Therefore,analyzingaboutthescaleinnermicrostructureanditsopticalmechanismhadgreatsignificanceforsolarheatutilizationresearch.Inthis,throughscanningelectronmicroscope(SEM)andtransmissionelectronmicroscope(TEM),microstructurecharacteristicsandsimplifiedmodelsweredescribed.Then,byusingmultiplereflectionandopticalresonatortheories,themechanismoflightabsorptionwasanalyzed.ResultsshowedthattheHeliophorusilaLycaenidaescalehadtwokindsofopticalmicrostuctures,thetopslopeandhollowstructurehadmultiplereflectionandrefractioneffectwhichcouldprolongthetravellinglength.Thebottomhollowstructureformedarectangularresonantcavitymodewhichcouldsaveenergy,throughthecombinationofthesetwokindsofstructure,thesunlightcouldbeabsorbedefficiently.Thisstudyprovidedatheoreticalbasisforsubsequentbionicdesignningofstructuralmaterialsforsolarheatutilization.Keywords:Bionic,solarenergyheatutilization,butterflyscale,microstructure,resonantcavity350引言小灰蝶（HeliophorusilaLycaenidae）蝴蝶隶属于鳞翅目灰蝶科，体型较小，在我国许多省份均有分布，在中高海拔山区，早春季节就会有小灰蝶出现，它们所需要的热能于对太阳光的吸收，其翅面鳞片具有高效的吸光能力（图1a）。前期研究对金凤蝶、白绢碟、40绿带翠凤蝶、小豹蛱蝶、柳紫闪蛱蝶、小灰蝶、翠叶凤蝶进行了分光计试验测量，对比结果发现：小灰蝶翅面鳞片具有高吸收的特点，吸收率可达85%，如图1b。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20102103120012）作者简介：邬立岩（1978-），男，讲师，农业机械仿生技术.wly78528@163-1-（a）（b）45图1H.ilaLycaenidae蝶翅面光学特性（a）H.ilaLycaenidae蝶（b）翅面反射光谱曲线Fig.1OpticaleffectofH.ilaLycaenidae（a）ButterflyH.ilaLycaenidae（b）Reflectancespectrum近年来，学者们对蝴蝶鳞片及其微结构方面进行了大量研究[1-3]。根据蝴蝶鳞片的不同光学特性，探索可见光隐身和红外隐身研究[4,5]，仿鳞片微纳结构探索碳薄膜超黑材料的制备研究[6]，以及对鳞片内的光子晶体结构进行了理论分析[7-9]。吉林大学韩志武教授等对蝶50类鳞片的陷光作用及样品制备方面做了大量研究[10-12]。本研究针对具有高吸光率的HeliophorusilaLycaenidae蝶，利用扫描电镜对鳞片表面脊脉结构进行了观察，采用透射电镜分析鳞片内部中空结构，建立3维简化模型，利用多重反射与折射理论、光学矩形腔理论分析鳞片的吸光机理，为结构型太阳能材料设计提供仿生学借鉴。1试验方法551.1SEM试验扫描电镜采用：Hita...