萤火虫在夜间的闪烁使科学家们对发光二极管(LED)进行了改进,使其效率达到原来的1.5倍以上。来自比利时、法国和加拿大的研究人员研究了萤火虫灯笼的内部结构,这种发光昆虫腹部的器官通过闪烁来吸引配偶。科学家们发现了一种意想不到的锯齿状鳞片图案,增强了灯笼的发光效果,并将这一知识应用到LED设计中,创造了一种模仿自然结构的LED覆盖层。该覆盖层将LED的光提取量提高了55%,可以很容易地根据现有的二极管设计进行定制,帮助人类在使用更少能源的情况下照亮夜晚。

Photuris属的萤火虫标本,在拉丁美洲和美国很常见,是新型有效LED涂层的灵感来源。(光学表达)
比利时那慕尔大学(University of Namur)的博士生Annick Bay说:“这项工作最重要的一点是,它展示了我们通过仔细观察自然可以学到多少东西。”他研究的是自然光子结构,包括甲虫鳞片和蝴蝶翅膀。当她的导师Jean Pol Vigneron访问中美洲,对巴拿马龟甲虫(Charidotella egregia)进行实地研究时,他也注意到大量闪烁的萤火虫,并带了一些标本回实验室进行更详细的研究。

萤火虫通过一种化学反应产生光,这种化学反应发生在被称为光细胞的特殊细胞中。光是通过昆虫外骨骼的角质层发出的。光在角质层中的传播速度比在空气中的传播速度慢,这种不匹配意味着一部分光被反射回灯笼中,使光线变暗。然而,一些萤火虫表皮独特的表面几何形状可以帮助最小化内部反射,这意味着更多的光线会逃逸到潜在的萤火虫追求者的眼睛里。

在OSA的期刊《光学快报》上发表的论文中,Bay、Vigneron和同事们首先描述了他们在检测萤火虫灯时看到的复杂结构,然后展示了同样的特征如何提高LED的设计。利用扫描电子显微镜,研究人员在萤火虫的角质层上发现了纳米级的肋骨和更大的、不合适的鳞片等结构。当研究人员使用计算机模拟来模拟这些结构如何影响光传输时,他们发现锯齿状、不合适的鳞片的尖锐边缘释放出最多的光。实验证实了这一发现,当研究人员观察到角质层从下面被照亮时,边缘发出最亮的光。

上图显示了Photuris萤火虫灯笼上的不匹配鳞片。研究人员发现,鳞片的尖锐边缘发出的光最多。(光学表达)
“我们认为边缘结构具有工厂屋顶的形状,”Bay说。“鳞片的顶端突出,有一个倾斜的斜坡,就像工厂的屋顶。”突出物大约每10微米重复一次,高度大约为3微米。“一开始,我们认为更小的纳米结构是最重要的,但令人惊讶的是,最终我们发现,在改善光提取方面最有效的结构是这种大规模结构,”Bay说。

像led这样的人造发光设备也面临着和萤火虫灯一样的内部反射问题,贝和她的同事认为工厂屋顶形状的涂层可以使led更亮。在他们的发现中,研究人员描述了他们用来在标准氮化镓LED上创建锯齿状覆盖层的方法。加拿大舍布鲁克大学的博士后研究员尼古拉斯·André在led的顶部沉积了一层光敏材料,然后用激光照射部分,创造出三角形的工厂屋顶轮廓。由于led是由一种比萤火虫表皮更能减缓光线的材料制成的,科学家们将突出物的尺寸调整为5微米的高度和宽度,以最大限度地提取光线。

其他研究小组也研究了萤火虫灯笼中的光子结构,甚至模仿了一些结构来增强led中的光提取,但他们的工作集中在纳米尺度的特征上。比利时领导的团队是第一个识别微米级光子特征的团队,这比可见光的波长大,但令人惊讶的是,它比更小的纳米级特征更好地改善了光提取。研究人员测试的工厂屋顶涂层提高了50%以上的光提取率,这一比例明显高于迄今为止其他仿生方法所达到的水平。研究人员推测,通过对现有制造技术的可实现的修改,在未来几年内,应该有可能将这些新颖的设计改进应用到当前的LED生产中。

作为有效的新型LED涂层灵感的萤火虫标本来自于Photuris属,这在拉丁美洲和美国很常见。贝说,她也检查了在加勒比海瓜德罗普岛发现的一种特别顽强的萤火虫的灯笼,这种萤火虫的外层没有工厂屋顶结构。她指出,她和她的同事将继续探索自然界的巨大多样性,寻找新的知识和灵感来源。

欲了解更多信息,请访问www.osa.org


照明技术杂志

本文首次发表于2013年5月号照明技术杂志。

阅读更多本期文章在这里

阅读更多的档案文章在这里