螢火蟲尾部忽明忽暗的光芒賜予了科學(xué)家靈感。最近，他們根據(jù)女巫螢火蟲尾部發(fā)光器結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了發(fā)光二極管(LED)，可使其效率提高50%%u4EE5上。

       來自比利時、法國和加拿大的研究人員在光學(xué)會(OSA)期刊《光學(xué)快報》(Optics Express)上發(fā)表了兩篇文章，介紹了他們的仿生學(xué)研究成果。他們對螢火蟲尾部的發(fā)光器進(jìn)行研究時，意外地發(fā)現(xiàn)了一種鋸齒狀排列的鱗片，它可以提高發(fā)光器的亮度。隨后科學(xué)家將其應(yīng)用在了LED設(shè)計中，制作出了模仿螢火蟲發(fā)光器天然結(jié)構(gòu)的LED覆蓋層。這種覆蓋層最高可提高55%%u7684LED光提取效率，并且很容易應(yīng)用到現(xiàn)有二極管設(shè)計中，為人類節(jié)約更多能源。

       “這項研究告訴我們，認(rèn)真觀察自然萬物可以讓我們學(xué)到許多，”安尼克?貝(Annick Bay)如是說。安尼克?貝是比利時那慕爾大學(xué)的在讀博士，她的研究方向是天然光子結(jié)構(gòu)，包括甲殼蟲的鱗片和蝴蝶的翅膀。當(dāng)她的導(dǎo)師讓?珀爾?維涅隆(Jean Pol Vigneron)在中美洲進(jìn)行野外工作時，發(fā)現(xiàn)了多群螢火蟲，并把一些女巫螢屬(Photuris)螢火蟲樣本帶回了實驗室做進(jìn)一步研究。

       螢火蟲通過一種化學(xué)反應(yīng)制造熒光。這個化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在一種特殊的發(fā)光細(xì)胞中。而熒光則從螢火蟲的一部分外骨骼——角質(zhì)層——中發(fā)出。光在角質(zhì)層中的傳播速度慢于在空氣中的傳播速度。光在這兩種不同介質(zhì)中的速度差意味著有一部分光線被反射回了發(fā)光器，這使發(fā)光器的亮度相對變暗。不過這些螢火蟲樣本角質(zhì)層獨特的幾何表面可以最大程度地減小反射。這使它們發(fā)出的光線更強(qiáng)，更容易被異性發(fā)現(xiàn)。

       在《光學(xué)快報》的論文中，貝、維涅隆及其同事首次對這種發(fā)光器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，并解釋了這樣的結(jié)構(gòu)將如何提升LED設(shè)計水平。在掃描電子顯微鏡的幫助下，研究人員發(fā)現(xiàn)了螢火蟲角質(zhì)層上納米級的骨架，以及更大一些的鱗片。當(dāng)研究人員利用計算機(jī)模擬這種結(jié)構(gòu)影響光線傳播的過程時，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)光線都是從這些鋸齒狀鱗片的鋒利邊緣發(fā)出的。隨后研究人員用實驗證實了這個結(jié)果，當(dāng)他們從下方照射角質(zhì)層時，這些邊緣的亮度最高。

       工廠屋頂結(jié)構(gòu)示意圖。

       圖片：locallocalhistory.co.uk

       貝說，“這些邊緣結(jié)構(gòu)有著工廠屋頂一樣的形狀。鱗片的末端向外突出，并有一個斜坡，就像是工廠的屋頂。“每隔10微米就有一個突出，其高度大約有3微米。最初我們認(rèn)為更小的納米結(jié)構(gòu)最為重要，但最后我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，能夠最有效提高光提取效率的正是這個大家伙。”

       像LED這樣的人造發(fā)光裝置同螢火蟲的發(fā)光器一樣，存在著內(nèi)反射的問題。貝和她的團(tuán)隊認(rèn)為一套像工廠屋頂一樣的覆蓋層可以讓LED更亮。他們在《光學(xué)快報》上發(fā)表的第二篇文章描述了在標(biāo)準(zhǔn)的氮化鎵LED上增加鋸齒狀覆蓋層的方法。加拿大舍布魯克大學(xué)的尼古拉斯?安德烈(Nicolas Andr?)在標(biāo)準(zhǔn)氮化鎵LED上涂了一層光敏材料，然后用激光照射截面制作出了類似工廠屋頂?shù)娜切泵妗Ｓ捎诠庠贚ED中的傳播速度比在螢火蟲角質(zhì)層中的速度更低，所以科學(xué)家調(diào)整了這些“鱗片”的大小，以便最大限度地提高光提取效率。“這項技術(shù)的好處在于過程簡單，也不必制造新的LED。只需要多幾個處理步驟我們便能給LED添加覆蓋層、用激光制模。”

       其他的研究團(tuán)隊也曾對螢火蟲發(fā)光器的光激結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，但是他們都把注意力放在了納米級結(jié)構(gòu)上。貝領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊是第一個發(fā)現(xiàn)微米級光激結(jié)構(gòu)的。這種結(jié)構(gòu)比可見光的波長要大，但其提高光提取效率的效果比更小的納米結(jié)構(gòu)還要好，令人感到意外。研究人員測試了這種工廠屋頂狀的覆蓋層，發(fā)現(xiàn)它可以將光提取效率提高50%%u4EE5上。研究人員估計，這種可以通過在現(xiàn)有制造技術(shù)中進(jìn)行調(diào)整而實現(xiàn)的新穎設(shè)計，可能會在幾年之內(nèi)應(yīng)用在LED生產(chǎn)中。

       啟發(fā)了研究人員設(shè)計出這種新型高效LED覆蓋層的螢火蟲樣本屬于女巫螢屬，在拉丁美洲和美國很常見。貝說她和同事還將繼續(xù)探索自然界偉大的多樣性，需找知識和靈感的新源泉。“女巫螢屬的螢火蟲發(fā)光效率非常高，不過我非常肯定有其他種類的螢火蟲的發(fā)光效率會更高。我們的工作還沒有結(jié)束。”