抗反射表面塗層仿生透明蝶翅

 
2017/05/11 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
仿生透明蝶翅表面奈米結構的全向抗反射表面塗層,可應用於光學、光電、和電光裝置等(繪製者:王美乃)。 寬紋黑脈綃蝶(Greta oto)透明翅膀表面微結構具有不反光特性(圖片來源:歐陽盛芝)。
  • 仿生透明蝶翅表面奈米結構的全向抗反射表面塗層,可應用於光學、光電、和電光裝置等(繪製者:王美乃)。
  • 寬紋黑脈綃蝶(Greta oto)透明翅膀表面微結構具有不反光特性(圖片來源:歐陽盛芝)。
 

德國研究團隊仿生寬紋黑脈綃蝶(Greta oto)透明翅膀表面奈米柱構造的不反光特性,研發出具有合成錐狀奈米柱結構的全向抗反射(omnidirectional anti-reflection)表面塗層,可解決因光線反射、在明亮的環境中很難辨視和閱讀光電裝置的問題,成果已由卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology,簡稱KIT)霍爾舍(Hendrik Hölscher)教授在2015年4月發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

 

寬紋黑脈綃蝶又名玻璃翼蝶,因膜質翅膀幾近全部透明無鱗片和色彩,看似玻璃而得名,是最有名的透翅蝶(Glasswing butterfly),這種具有透明度的偽裝能有效防禦捕食者,對光線具有低吸收、低反射、和低散射性質,雙翅的翅脈和翅緣為不透明的紅、棕、或深褐色,前翅上緣有一道白色斑紋,屬於鱗翅目(Lepidoptera)蛺蝶科(Nymphalidae)綃蝶族(Ithomiini),主要分布於中、南美洲的雨林。

 

研究團隊以掃描式電子顯微鏡觀察,寬紋黑脈綃蝶翅膀的棕色和白色區域具有其他種蝴蝶常見之橢圓形鱗片,長、寬為200 × 50微米(μm=10-6m),鱗片表面具許多平行的細微縱向凸脊,棕色區域的脊間有薄膜、但白色區域沒有;透明區域的鱗片則特化成厚約2微米、高約40微米的毛狀鱗片(piliform scale),稱為微纖毛(microhairs)或剛毛(bristles),各微纖毛間的距離為40-50微米。以膠帶移除微纖毛和未移除對照組的光學效應測試,微纖毛不會影響透明度。透明部分密佈具高長寬比、隨機高度、和隨機排列的奈米柱,半徑為40-60奈米(nm=10-9m),具有高160-200奈米的錐形基座,高度大多400-600奈米(比約80,000-100,000奈米粗的人類頭髮約小200倍),長寬比約為5,但有些可達為10以上,平均高度為500±100奈米,各奈米柱間的距離為120±20奈米,翅膀背、腹兩面的奈米結構沒有差異,具有相同的反射特性。

 

為分析透明翅膀的鏡面反射和漫反射功能,他們使用角度分辨光譜儀測試,得知寬紋黑脈綃蝶翅膀透明部分在可見光區域有2%的低鏡面反射率(空氣/翅膀介面比率),在紫外線到近紅外線區域僅有3%的低反射率。入射光角度實驗也得知,8度至65度的反射率皆低於2.2%,80度時僅5%,90度時甚至只有0.2%的反射率,這種在不同視角下的低反射性是由隨機高度和排列的奈米柱結構所造成,顯示透明區域具有全向和寬帶抗反射性能;透明部分還具有高達84%的穿透性,當散射角在5度以內時,穿透率才會從84%下降到近乎0,證明蝶翅具低散射性與全向高透明度。

 

研究團隊仿生寬紋黑脈綃蝶翅膀透明部分的錐狀奈米柱結構,透過優化錐狀基座的形狀、寬度、和高度,為寬帶波長及寬範圍的視角設計幾乎完美的抗反射表面,使用蝕刻沈積技術(etching techniques)製造出平均厚度(高度)500奈米的仿生透明蝶翅全向抗反射表面塗層,比傳統厚度至少1微米的多層寬帶抗反射塗層更薄,並具有疏水性。

 

新型塗層除可開發為具有偽裝、隱形效果的「零反射面」產品應用於軍事領域外,還可降低視角的眩光與避免水濺損傷,應用於製造鏡片、鏡頭、電視、手機、或電腦螢幕等不反光玻璃。若運用於太陽能領域,可增加光吸收率,解決現有太陽能面板因矽材質會反射高達33%入射光線,因而降低太陽能轉換效率的問題,提升發電效率。若運用於發光二極體(LED)還能提高有效光的提取率,也能提升反射鏡、透鏡、光電感應器、表面發射激光器、顯示器、光學感應或成像等光學、光電、和電光裝置的性能。

 

(以上新聞編譯自2015年4月22日發行之Nature Communications期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
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  • 來源:Siddique, R. H., G. Gomard, and H. Hölscher. 2015. The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly. Nature Communications, 6: 6909-1-11 (+ 5 pp. Supplementary Information).Eelpuch, A. 2015. Butterfly wing studies helping to reduce glare from your mobile screen. L’Atelier: Accelerating Innovation, May 21, 2015.
     
 
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