生物光子晶体蝴蝶翅膀表面的凝结液滴憎水性

蝴蝶翅膀的浸润性探究超疏水表面在自然界中较为常见，某些生物表面经过数亿年，进化成各种特殊形态的微纳米结构，如水黾腿部的超疏水性是通过其腿部微米量级的刚毛上的螺旋状纳米结构沟槽效应来实现的。

荷叶表面微乳突结构上存在着平均直径为124．3 nm的纳米级分支结构，这种微米-纳米复合结构使其具有超疏水性。

蝴蝶那色彩斑斓又奥秘无穷的翅膀给科学家们以无数的遐想。

蝴蝶翅膀是由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每个鳞片上又分布着排列整齐的纳米条带结构，而每个纳米条带由倾斜的周期性片层堆积而成。

这种特殊微观结构导致蝴蝶翅膀表面有各向异性的浸润性。

扫描电子显微镜下观测表明蝴蝶翅膀表面在微观下并非是光滑平整的，而是覆盖着重叠排列的瓦片般的鳞片，鳞片排列方向与翅脉发散方向一致，鳞片通过小柄镶嵌在鳞片囊中。

鳞片上又有十多条到几千条纵隆脊和肋。

其中排间距为蝴蝶翅膀鳞片根部排与排之间的距离；脊间距为鳞片上相邻两个脊脉间的距离；肋间距为鳞片上相邻脊脉问的相邻两肋的距离。

蝴蝶翅膀表面的超微结构特征具体参数名称及测量结果见下表。

下面对五中不同的蝴蝶翅膀进行分析：1、迁粉蝶迁粉蝶翅膀的鳞片排列整齐，形状规则，鳞片游离缘多呈2齿结构(如图1a所示)。

鳞片上有沿鳞片长度方向的纵隆脊和横向的肋，每条脊脉上又由与鳞片呈约30。

倾斜周期性的薄片叠合而成，薄片间充满空气。

肋问的凹坑中布有十多个橄榄形状的珠子(如图1b)。

这种结构使照射其上的光产生折射、反射及干扰而形成明亮反光的颜色。

当去除鳞片时，图1c，d可以明显看到鳞片囊。

2、密纱眉眼蝶密纱眉眼蝶翅膀的鳞片排列紧密，形状较规则，鳞片游离缘较粗糙，多呈3齿结构，与翅膜问存在倾角。

鳞片也分布彼此平行的纵隆脊和横向的肋。

肋的两端高，中问低，直接与鳞片的整个基部相连。

脊宽度为0.16µm，两条脊脉间的间距为1.81µm，肋间距为0.85µm，相邻脊脉与肋问在鳞片上形成了一个个规则的矩形的类似窗格型的凹坑(如图2所示)。

用蝴蝶翅膀模型做多功能纳米杂交的自组装碳纳米管蜂窝状网络摘要昆虫翅膀有很多独特复杂的纳米/微型结构，现下没有任何技术可以人工复制。

尤其是大闪碟是昆虫中极具吸引力的一种，因为其翅膀是由多孔结构组成的。

此文中，我们可看到含有碳纳米管的合成物采用了蜂窝状网络，这是以大闪碟翅膀的自组装为模板的。

合成物独特的纳米结构展示了多功能，如，激光引发的远程加热，高的导电性和重复的DNA扩增。

我们当下的研究强调针对智能纳米生物材料的不同应用（如数字化诊断，软耐磨电子装置，感光器和光电池）的发展已经有了重要的进程。

关键词生物材料；生物模仿学；碳纳米管；片层；纳米技术；自组装正文在历史进程中，人类通过与大自然建立共生关系充分利用了自然产物。

尤其是从昆虫得到的生物材料（如家蚕，西方蜜蜂，果蝇和北美萤火虫）不仅在现代大分子生物学，也在延长人类寿命和提高生活质量提供了很大益处。

近年来，由于对不同工业用途特别感兴趣，我们获知了昆虫不同部位的结构和机能的信息。

如，昆虫翅膀的很多独特而复杂的纳米/微孔结构就是当下技术无法用人工复制得到的。

其中，大闪碟由于其多功能的翅膀就是一种很有吸引力的类型，其翅膀天生具有独特性质，包括结构色，超疏水，自洁能力，定向粘附和化学传感能力。

了解了大闪碟翅膀轻，薄和灵活的结构和特征可以激发新颖的人工材料的设计。

然而，进行额外的生物工程研究对于以从昆虫得到的结构为基础发展终极的纳米生物材料是非常必要的。

相反的是，纳米材料在很多领域的多种科学和技术的应用都有很大潜能。

尤其是碳纳米管（CNTs）有电学的，化学的，热学的和光学性能的独特性能的组合使其可作为众多应用的材料。

我们已测出激光引发的CNTs 是有高能量辐射热的纳米材料可用于需要高温的应用中。

新型辐射热材料的创造会为不同的热学应用打开一扇大门。

此外，人们对于CNT物理性质的提高的兴趣日益增多，仿造的方法通过相关的配置和尺寸来设计功能性CNT合成物。

然而，有清晰的结果显示一个成本效益好的仿造CNT以增强其物化性能现下还不可行。

㊀２０２０年１０月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y第２０期收稿日期:２０２０Ｇ０９Ｇ０４作者简介:何㊀松(１９９３－),男,博士研究生,研究方向为室内除湿.新型铝翅片表面凝露性能的研究进展何松(广东工业大学土木与交通工程学院,广东广州５１０００６)摘要:指出了在高温高湿地区,建筑能耗主要来自于空调系统,除湿过程所消耗的能耗占空调系统能耗的绝大部分,经济节能的除湿方式成为研究的热点.铝翅片因其导热系数高㊁造价成本低及原材料来源广等而广泛应用于空调换热器上.但是普通铝翅片存在如下缺点:对水分子的吸附能弱,除湿能力不强;在制冷过程中,水分子凝结成液滴粘附在翅片表面,增加了换热器两端的风阻,降低了换热器的传热系数,阻碍了水分子的继续凝结.针对上述缺点,提出了具有创新性的除湿方法,通过改变换热器翅片表面的物理或化学性能,形成亲水型翅片,并结合其换热功能,在亲水型翅片上布置各种有规则的疏水花纹,促进翅片的排水换热,这种方法适用于高温高湿地区的夏季,新型铝翅片有较强的凝露性能,换热器温度略低于露点温度即可产生较大的除湿量,降低了传统空调降温除湿后又加热的过程而消耗的能耗.目前该铝翅片的造价较高㊁性能不稳定及技术难度大,有待于进一步深入研究.为此,主要综述并分析了新型铝翅片的种类以及他们在空调领域的应用,以期为后续研究提供参考.关键词:吸湿涂层;换热器;室内除湿;进展中图分类号:T B ６５７㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀文章编号:１６７４Ｇ９９４４(２０２０)２０Ｇ０１５８Ｇ０３１㊀引言随着社会的发展和人们生活水平的提高,室内空气质量越来越受到关注.温度㊁湿度和空气清洁度是评价室内空气环境的主要参数.当建筑的湿度超过一定水平时,不仅会影响人们的舒适度,还会导致真菌的生长,不利于人们的生产生活.目前９０％以上的室内空气除湿系统都是基于空调对空气进行冷凝除湿[１].为了满足室内湿度的舒适性,传统空调系统会将蒸发冷却温度维持在远低于空气露点温度.在大多数情况下,冷却除湿后的空气需经过再加热过程,以保证室内的热舒适性[２],存在严重能源浪费,不满足绿色建筑的发展要求.据报道,空调系统能耗占发达国家建筑能耗的５０％以上[３].空调负荷一般包括显热负荷和潜热负荷,潜热负荷通常占空调总负荷的７０％[４].因此,空调系统除湿性能的改善对建筑节能具有重大意义.在目前的研究中,改变换热器翅片表面的物理或化学性质,可以获得不同润湿性表面,包括疏水表面㊁亲水表面和疏水Ｇ亲水复合表面[５].选取新型润湿性铝翅片中除湿性能较好的应用在空调领域是当下研究的热点.空调系统将蒸发冷却温度降低到空气露点温度以下,通过冷凝作用进行空气除湿.在除湿量相同的情况下,新型铝翅片换热器的蒸发温度可大大高于传统铝翅片换热器,无需再进行空气加热.本文综述了空调换热器铝翅片表面疏水Ｇ亲水复合涂层的研究进展.本综述的目的是:总结现有的研究成果,分析除湿方法的特点,为后续研究人员提供参考;提出了空调领域除湿研究的潜力和建筑节能的意义.２㊀湿润表面种类有研究表明[６],水分子在亲水表面具有较高的凝露成核速率,疏水表面则具有更好的传热性能.在空调换热器中,冷凝翅片表面既要有高的成核能力,又要有高效的液滴流动性,才能提高水蒸汽凝结的传热性能.因此,研究者们引入了疏水Ｇ亲水混合表面.２．１㊀仙人掌模型受自然界仙人掌的启发,通过亲水的针尖捕获水分子,然后通过疏水的表面运输到根部.B i k a s h 等人[７]制备了超疏水Ｇ复合亲水表面如图１所示,由于润湿性和温度的差异,凝露现象首先发生在针尖上,随着液滴体积的增长,针上的液滴一直保持C a s s i e 状态,不会润湿下面的超疏水表面;通过实验发现,复合表面的水蒸气凝露速率是普通铜表面的４倍,是没有亲水型特征的超疏水表面的２倍.J u 等[８]结合机械射孔和模板复制技术,制备了仙人掌模型的表面,水蒸气在亲水针尖上凝结,然后向下移动到疏水表面,他们的研究提供了一条吸附湿空气中水分子的有效新途径,可运用于室内空调系统的除湿领域.２．２㊀茎叶草模型受茎叶草的启发,通过亲水的叶子捕获水分子,通过疏水的茎来运输.M a h a p a t r a 等[９]制备了如图２所示的表面,分为亲水区和疏水区,湿空气中水分子亲水区凝结后由疏水区排走,研究表明,这种表面不仅可大幅度增加表面的凝露性能[９],传热性能可提高３０％以上.３㊀新型翅片在空调领域的应用空调系统在夏季运行的时候,蒸发器上的换热翅片８５１㊀何㊀松:新型铝翅片表面凝露性能的研究进展材料与工艺图１㊀复合表面的凝露现象图２㊀茎叶草模型表面凝露现象表面温度会低于空气露点温度,湿空气中的部分水分子会凝结到翅片表上面[１０].根据翅片表面的不同润湿性,蒸发器上换热翅片表面的凝露现象可分为珠状凝结㊁膜状凝结.不同的凝露方式会影响湿空气中水分在蒸发器换热翅片上的传热传质性能.新型翅片对空调换热器的影响吸引了大批研究者.M a 等[１１]研究了亲水涂层对换热器性能的影响,发现亲水涂层对传热性能的影响主要与冷凝水的流动状态有关,当有大量冷凝水流动时,亲水涂层可以提高传热性能,当有少量凝结水在翅片表面形成时,亲水涂层会降低传热性能;凝露过程中亲水型涂层翅片换热器两侧的压降小于普通翅片换热器,最大减少４４％.W a n g 等[１２]通过化学氧化和化学剂修饰的方法制备了一种新型超疏水换热翅片,实验测试结果显示,在相同工况条件下,超疏水翅片换热器的制冷量和换热系数分别比传统换热器高出８％和２％.４㊀结语传统空调除湿能力弱㊁能耗高,不能满足人们的要求.通过对空调换热器翅片的优化可以提高空调除湿能力,以达到节能㊁舒适的效果.本文综述了翅片被涂层改性后的新型换热器.疏水－亲水涂层换热器广泛应用于空调除湿领域.复合型疏水－亲水涂层翅片表面比单一的疏水或亲水翅片表面具有更好的除湿性能.参考文献:[１]Q u M．A b d e l a z i zO．G a oZ ．M ,e t a l ．I s o t h e r m a lm e m b r a n e －b a s e d a i rd e h u m i d i f ic a t i o n :Ac o m pr e h e n s i v e r e v i e w [J ]．R e n e w Ｇa b l e a n dS u s t a i n a b l eE n e r g y Re v i e w s ,２０１８(８２):４０６０~４０６９．[２]D a o uK ,W a n g RZ ,X i a ZZ ．D e s i c c a n t c o o l i n g a i r c o n d i t i o n i n g :a r e v i e w [J ]．R e n e w a b l ea n dS u s t a i n a b l eE n e r g y Re v i e w s ,２００６,１０(２):５５~７７．[３]V a k i l o r o a y aV ,S a m a l i B ,F a k h a rA ,e t a l ．Ar e v i e wof d i f f e r Ｇe n t s t r a t eg i e s f o rh v a c e n e r g y s a vi n g [J ]．E n e r g y Co n v e r s i o na n d M a n a ge m e n t ,２０１４(７７):７３８~７５４．[４]Z h a n g F ,Y i nY ,Z h a n g X ．P e rf o r m a n c e a n a l y s i s o f a n o v e l l i q Ｇu i d d e s i c c a n t e v a p o r a t i v e c o o l i ng f r e sh ai r c o n d i t i o n i n g s ys t e mw i t h s o l u t i o n r e c i r c u l a t i o n [J ]．B u i l d i n g an dE n v i r o n m e n t ,２０１７(１１７):２１８~２２９．[５]C h a t t e r j e eA ,D e r b y M M ,Pe l e sY ,e ta l ．E n h a n c e m e n tof c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rw i t h p a t t e r n e ds u r f a c e s [J ]．I n t e r n a Ｇt i o n a l J o u r n a l o fH e a t a n d M a s sT r a n s f e r ,２０１４(７１):６７５~６８１．[６]S u z u k i S ,U e n o ,K．A p p a r e n t c o n t a c t a n g l e c a l c u l a t e d f r o maw a Ｇt e r r e p e l l e n tm o d e lw i t h p i n n i n g e f f e c t [J ]．L a n gm u i r ,２０１７,３３(１):１３８~１４３．[７]B i k a s h M o n d a l ,M a r cM a cG i o l l aE a i n ,Q i a n F e n g Xu ,e t a l ．D e s i g na n d f a b r i c a t i o no f ah y b r i ds u p e r h y d r o p h o b i c －h y d r o ph i l i c s u r f a c e t h a te x h i b i t ss t a b l ed r o p w i s ec o n d e n s a t i o n [J ]．A C S A p Ｇpl i e d M a t e r i a l s&I n t e r f a c e s ,２０１６(７):２３５７５~２３５８８．[８]J u J ,Y a oX ,Y a n g S ,e t a l ．C a c t u s s t e mi n s p i r e d c o n e －a r r a ye d s u rf a c e s f o r e f f i c i e n t f o gc o l l e c t i o n [J ]．Ad v a n ce dF u n c t i o n a lM a t e Ｇr i a l s ,２０１４,２４(４４):６９３３~６９３８．[９]M a h a p a t r aPS ,G h o s hA ,G a n g u l y R ,e t a l ．K e y d e s i g na n do p Ｇe r a t i n gp a r a m e t e r sf o re n h a n c i ng d r o p w i s ec o n d e n s a t i o nth r o u gh w e t t a b i l i t yp a t t e r n i n g[J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fH e a t a n dM a s s T r a n s f e r ,２０１６(９２):８７７~８８３．[１０]Z h u a n g D ,D i n g G ,H u H ,e t a l ．C o n d e n s i n g d r o pl e t b e h a v i o r s o n f i ns u r f a c eu n d e rd e h u m i d i f y i n g c o n d i t i o n :p a r t i :n u m e r i c a l m o d e l [J ]．A p p l i e dT h e r m a l E n g i n e e r i n g,２０１６(１０５):３３６~３４４．[１１]M aX ,D i n g G ,Z h a n g Y ,e t a l ．E f f e c t s o f h y d r o p h i l i c c o a t i n g on a i r s i d eh e a t t r a n s f e r a n df r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw a v y fi na n d t u b eh e a t e x c h a n g e r s u n d e r d e h u m i d i f y i n g c o n d i t i o n s [J ]．E n e r g yC o n v e r s i o na n d M a n a ge m e n t ,２００７,４８(９):２５２５~２５３２．[１２]W a n g S ,Y u X ,L i a n g C ,e ta l ．E n h a n c e dc o n d e n s a t i o nh e a t t r a n sf e r i na i r －c o n d i t i o n e r h e a t e x c h a ng e r u s i n g s u p e rh y d r o ph o Ｇb i c f o i l s [J ]．A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r i n g ,２０１８(１３７):７５８~７６６．９５１。

在公园游玩时，我们发现雨滴打在蝴蝶翅膀上滚落下来，“蝴蝶翅膀为什么不沾水”呢？好奇心让我们走进了这一课题研究之门，于是我们开展了玉带凤蝶、斐豹蛱蝶和酢浆灰蝶三种蝴蝶翅膀表面的不沾水、自清洁、滚动行为的实验研究，并且在老师的帮助下进行了蝴蝶翅膀微结构的扫描电子显微镜高分辨显微成像研究。

实验结果显示，三种蝴蝶翅膀微结构既有相同点，又有不同点。

相同点是它们翅膀表面都覆盖微米尺度的鳞片，每一微米尺度的鳞片又是由更细小、周期性的纳米尺寸纵隆脊和横肋结构构成，这种周期性微纳结构分布正是蝴蝶翅膀不沾水的根本原因。

不同点是三种蝴蝶翅膀上鳞片微结构的形状、尺寸和分布各具特点，其中灰蝶鳞片微结构比凤蝶和蛱蝶具有更丰富的纳米结构，这可能正是灰蝶具有较大滚动角的本质原因。

本项目从课题设想、材料选择、不沾水实验开展、数据分析和论文写作等方面，都是两人共同完成的。

我们将继续携手，共同开展和完善后期实验。

Morpho 蝶翅结构色的线性液体反应谢恒峰;邬文俊【摘要】The paper investigates the selective liquid response of Morpho butterfly wing scales.The ridge-lamellae structures on Morpho scales hold the secret of its famous blue structural color.The scales give different optical responses to different individual liquid media.Our optical model explains the effect of dif-ferent components on the liquid response.It is found that the selective response is attributed to the liquid media formed nanometre-thick films between scales lamellae and changed the constructive interference wavelength.It is discovered that there was linear relation between the structural color of ridge-lamellae structure and index of liquid background media.This linearity was verified through experiment,simulation and optic theory.This selective linear liquid response could be applied to design nano-engineered photonic sensors.%通过研究Morpho 蝶翅鳞片的液体敏感性，发现蝶翅鳞片表面的三维微纳精细结构是其耀眼蓝色光泽的首要原因：蝶翅鳞片浸润在不同液体介质中，会发生不同的光学反应。

蝶翅疏水性、窝蜂结构、变色现象的研究与应用卢雨霜 5120519089 F1205104 蝴蝶翅表面是自然界最复杂的三维周期性介质材料之一,具有很多优良特性,如荧光性、超疏水性等,是理想的仿生制备模版,近年来引起普遍关注。

国内外科学工作者从蝶翅中得到了启迪，发现许多具有广阔应用前景的特性。

1.仿生自清洁材料由于蝴蝶翅表面多级微观结构的存在,液滴与翅表面发生异相接触,表面粗糙结构的尺度远远小于液滴的尺度,液滴下面形成“空气囊”,无法浸入粗糙表面的凹槽,因此翅表面表现出较好的疏水性。

可为新型仿生自清洁材料的制备提供生物模板。

1.1蝴蝶翅表面的多级复合结构1．1.1 一级结构蝴蝶翅表面除翅脉外,主要由密集而规则的鳞片组成,呈覆瓦状排列,彼此间相互重叠。

鳞片构成了蝴蝶翅表面的一级结构。

不同种类蝴蝶的翅鳞片形状相似( 图 1) 。

鳞片的密度为101~280个/mm2,长为65~135μm,宽为35~85μm,间距为48~112μm。

a.蓝灰蝶;b. 黄钩峡蝶;c. 夜迷蛱蝶图1 蝴蝶翅表面的一级微观结构(微米级鳞片)1.1.2 二级结构蝶翅表面都由亚微米级的纵肋和横向连接构成,呈网格状,个别纵肋有分叉,构成了蝴蝶翅表面的二级结构(图2)。

纵肋的高为200~590nm,宽为200~650nm,间距为1.06~2.27μm。

a. 欧洲粉蝶b. 紫闪峡蝶c. 白钩蛱蝶图2 蝴蝶翅表面的二级微观结构(鳞片上的亚微米级纵肋和横向连接)1.1.3三级结构蝴蝶翅表面的三级结构为亚微米级纵肋和横向连接上的纳米级突起,呈不规则分布(图3)。

欧洲粉蝶图3 蝴蝶翅表面的三级微观结构(亚微米级纵肋和横向连接上的纳米级突起)2.太阳能电池自然界天然存在的多孔结构被证明可以有效增加材料的光捕获效率。

研究表明,自然界中蝴蝶进化出各种色彩缤纷的翅膀,其颜色与其微观结构有关。

一方面, 有些蝴蝶翅膀呈现出黑色或者深灰褐色, 深色的翅膀能使其吸收更多的能量,从而能使自己的体温快速升高到合适的温度, 增加其在寒冷气候下和高海拔地区的生存机率。