科学家受蝴蝶翅膀启发打造新一代光子晶体

科学家受蝴蝶翅膀启发打造新一代光子晶体

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1.

https://new.qq.com/rain/a/20240910A010BB00

2.

https://new.qq.com/rain/a/20250205A074M000

3.

https://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2024/6/202465124731121103258.shtm

4.

https://kjc.seu.edu.cn/2024/0508/c29280a489885/pagem.htm

5.

https://nv.opticsjournal.net/J/NewOptics/news/PT241127000115KpMsP.html

近日，伯明翰大学的科学家们受到蝴蝶翅膀仿生特性的启发，成功创造了一种以前只在自然界中存在的复杂结构——光子晶体。这种结构可以在某些蝴蝶的翅膀鳞片中找到，它能控制可见光谱范围内的光，有望应用于激光、传感器和太阳能电池板等领域。这项研究发表在《先进材料》杂志上，展示了如何通过自组装胶体颗粒来制造具有特殊手性光学特性的纳米光子介质，为未来的新一代光子晶体铺平了道路。

光子晶体是一种具有周期性介电常数的光学材料，能够控制光的传播方向和频率。其基本原理是通过周期性结构产生光子带隙，使特定波长的光无法在其中传播。这种特性使得光子晶体在光通信、光计算和光子集成电路等领域具有广阔的应用前景。

然而，制造在可见光谱中具有完整光子带隙的光子晶体面临两大挑战：一是需要实现材料折射率大于2，二是需要达到优于280纳米的三维图案分辨率。这些技术难题限制了光子晶体在实际应用中的发展。

自然界中，某些蝴蝶的翅膀展现出令人惊叹的结构色。这种颜色并非由色素产生，而是源于翅膀表面的光子晶体结构。这些结构能够对光进行衍射和反射，产生特定的颜色。更神奇的是，随着观察角度的变化，颜色也会随之改变。

伯明翰大学的研究团队从蝴蝶翅膀的结构中获得灵感，开发了一种新型光子晶体制造技术。他们使用自组装胶体颗粒作为模板，通过精确控制颗粒的大小和排列方式，成功制备出具有手性光学特性的纳米光子介质。这种介质能够在可见光谱范围内实现对光的精确控制。

这种新型光子晶体具有广泛的应用前景。在激光领域，它可以用于制造更高效的激光器，提高能量转换效率；在传感器领域，它可以用于开发新型光学传感器，实现对环境参数的精确监测；在太阳能电池板领域，它可以优化光的吸收和转换效率，提高能源利用率。

此外，这种技术还可以应用于防伪标识、信息存储和智能设备等领域。例如，通过控制光子晶体的结构，可以制造出具有独特光学特性的防伪标签，提高产品的安全性；在信息存储方面，光子晶体的结构色可以用于存储和显示信息，实现高密度、高稳定性的数据存储。

伯明翰大学的这项研究为光子晶体的制造开辟了新的途径，但要实现大规模应用，仍需解决一些技术难题。例如，如何进一步提高材料的折射率，如何实现更精细的结构控制，以及如何降低制造成本等。

尽管如此，这项研究无疑为光子晶体技术的发展注入了新的活力。随着技术的不断进步，我们有理由相信，这种神奇的材料将在不久的将来为我们的生活带来更多的惊喜和便利。