科學家最近從藍翅葉鵯翅膀上幻彩的藍色獲得靈感,發現了一種利用納米材料自行組合製造光電材料的全新方法,在生產光纖、光伏電池和燃料電池上都有重要的用途。

藍翅葉鵯是一種小型鳥類,生活在南亞和東南亞地區,翅膀的羽毛上有著具有幻彩效果的亮藍色。

多數動物體內並沒有合成色素的機制,身上的顏色很多是從食物中獲得,比如很多鳥類羽毛上的紅色和黃色,是來自食物中的類紅蘿蔔素。

可是藍色在食物中不多見,科學家好奇一些鳥類羽毛上藍色的來源。以前研究發現有一種「結構性顏色」,意即由於材料微觀下的表面結構細緻到納米的尺度,和光波的波長具有可比性,導致只有特定波長的光波才能通過,從而呈現特定的顏色。

科學家發現結構性顏色對材料的要求不高,只要有一定透明度都可行,而且由於材料的表面和底面反射光線的差異,還會造成一種幻彩的效果,也就是從不同角度看上去,顏色深淺將出現變化。

這份由耶魯- 新加坡國立大學學院(Yale-NUS College)的薩拉納坦(Vinod Kumar Saranathan)引領完成的研究發現,藍翅葉鵯羽毛上的藍色就是這種結構性顏色。科學家對這種結構性顏色背後的機制還沒有完全了解,但是意識到這對材料科學具有重要的借鑒意義。

研究人員把這種鳥類羽毛上的藍色顆粒利用美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)內先進的X 光設備照射,發現微觀下這些顆粒是一種結構複雜的三維晶體——具有一種螺旋曲面(gyroid)結構,在可見光光譜內產生這種顏色。

螺旋曲面結構的表面就像一個個馬鞍的形狀按照一定規律拼接在一起。根據組合方式的差異,常見的有雙螺旋曲面(double gyroid)和單螺旋曲面(single gyroid)結構。藍翅葉鵯羽毛上的展示藍色效果的結構是後者,而且這些納米粒子通過自我組合的機制形成這種特殊的表面結構。

薩拉納坦說:「現代工業還無法生產作用於可見光波段的、又能夠自行組合起來的單螺旋曲面光子晶體,這個過程就像是很多納米尺寸的化學小積木塊,可以自行組合在一起成為這種晶體結構。現在可以造出較大的晶體,然後用熱縮的方法讓它們作用於可見光波段,但是目前這種技術只能造出小規模的材料,而且總有瑕疵。」

研究組表示,這種材料的光電性能是現代技術很需要的特性,是製造光伏太陽能電池、光纖的理想材料,還可以用於提升燃料電池的效能。

這份研究6 月8 日發表於《美國國家科學院院刊》(PNAS)。◇