Page 107 - 《精细化工》2021年第11期

第 11 期 杨迪皓，等: 鲍鱼壳微结构中远红外反射特性测试与仿真 ·2253·

自然界中许多生物体拥有绚丽多彩的色泽，主 场的原因、法拉第感应定律则关注“磁生电”的过
要是由自然光照射到生物体表的精细微纳结构上发 程 [11] 。
生极为复杂的光学现象（干涉、衍射、散射等）所
致。这种色泽不易褪色和改变，被称为结构色 [2-3] 。
目前，国内外对结构色进行了详细研究。研究人员
发现，金丝猴、甲虫背部暗绿色源于披碱蓬上的纳
[6]
米结构鳞片 [4-5] 。邬文俊 发现，Morpho 蝴蝶蝶翅的
微观结构在 450~500 nm 波长区域有较高的反射率。
最近，关于鲍鱼壳的光学性质研究较多 [7-9] ，结果表
明，其色彩来源于鲍鱼壳多层微结构的干涉现象。
张伟钢等 [10] 研究发现，鲍鱼壳的珍珠层在可见光范 图 1 鲍鱼壳内侧照片
围具有独特的反射特性。 Fig. 1 Picture of inside appearance of abalone shell

为了探究鲍鱼壳在可见光区独特反射率的特点 光栅电磁理论主要利用麦克斯韦方程组及其边
是否可延续到中远红外波段，作为中远红外隐身技 界条件。光是一种电磁波，基本物理量包括：电场
术的仿生模型，本文测试鲍鱼壳结构在 3~15 μm 中 场强（E，N/C）、电位移量（D，C/m ）、磁场强度
2
远红外波段的反射率，运用有限元方法，采用 （H，Oe）及磁感应（B，T）。激发电磁场的是自由
comsol5.4 软件构建仿鲍鱼壳模型，在对几种不同材 电荷密度（ρ）和自由电流密度（J），其微分形式表
料进行冻干后，聚乙烯醇（PVA）样品所得结构与 示如下：
模型较好对应，且力学性能较高，因此，利用 PVA  B
 E   （1）
在反复冷冻解冻形成类弹性体的特点来制造模型的 t 
层状结构，对其进行中远红外反射率的表征，验证  D
 H  J  （2）
鲍鱼壳模型的正确性，旨在为今后中远红外隐身材 t 
料的开发提供参考。  B  0 （3）
 D   （4）
1 实验部分  
 J   0 （5）
1.1 试剂与仪器 t 
假设角频率为 ω，可以利用电场矢量和磁场矢
鲍鱼壳，大连市甘井子区海鲜市场；PVA（醇
量表示电磁场的特征：
解度摩尔分数：78.5%~81.5%；黏度：45.0~51.0 mPa·s），
(, ) {Er t  ReE ( )r e ( it ) } （6）
阿拉丁试剂（上海）有限公司。
LGJ-10FD 型冷冻干燥机，北京松源华兴生物 (, ) {Hr t  ReH ( )r e ( it ) } （7）
技术有限公司；Nicolet IS50 型傅里叶变换红外光谱 联立两个边界条件可以得出光栅得反射效率
仪（FTIR），美国 Nicolet 公司；EQUINOX55 型傅 （η R,m ） [12-13] ，见式（8）：
里叶变换红外光谱仪，德国 Bruker 公司；SU8220  k 1,zm 
 , R m  RRRe  m m *  （8）
型场发射扫描电子显微镜（SEM），日本日立高新技  kn cos 
0 1
术公司。 1.2.3 入射波的引入
1.2 实验方法 在模拟中为充分模拟光照条件，需改变总场区
1.2.1 鲍鱼壳处理 与散射场区之间连接边界上的计算方式，从而保证
将鲍鱼内部软体组织清除后，取清洗干净的新 入射波不会出现在散射场区域。 设入射电磁波为
鲜鲍鱼壳作为实验样品，如图 1 所示。利用切割仪 E i ，H i ，在总场区和散射场区之间的连接边界上设
将鲍鱼壳切割成小块，选取虹彩最为强烈的壳中区 置等效的电磁流，并将散射场区设置为空场。则连
作为研究对象。 接边界上的等效电磁流为：
1.2.2 麦克斯韦方程 J   e  m E （9）
m
i
光作为一种电磁波，严格吻合麦克斯韦方程组。 J  e  H （10）
m
i
其主要由以下 4 方面组成：高斯定律描述电荷与电 式中：e 为连接边界上由总场区垂直朝向散射场的
m
场产生的关联、高斯磁定律讨论磁单极子的存在问 直线，可通过图 2 所示场区设置做到让入射波避开
题、麦克斯韦-安培定律解释电流与交替电场产生磁 散射场的区域 [14] 。