星期二, 11 1月 2022 02:27

黑蝴蝶的翅膀:启发了太阳能电池的设计

本文摘自《创造》杂志中文版第40卷第3期

印度红珠凤蝶(Pachliopta aristolochiae)的翅膀很大,其上有大黑斑。黑斑可吸收阳光,在冷天可以帮助蝴蝶保持温暖。

研究人员在电子显微镜下对其翅膀进行了分析,发现覆盖其翅膀的鳞片1表面凹凸不平,由一系列无序的小孔组成。2

这些纳米孔可以捕捉入射的太阳辐射,能在很宽的波长和角度范围最大程度地吸收太阳光。生命体在微观层面处理光的结构被称为光子(photonic)结构。这些带孔的鳞片也让翅膀轻巧无比。

butterfly-wings

同一批研究人员还受到启发,参照蝴蝶翅膀样式设计了一种新型太阳能电池,由带微孔的硅片层组成。普通的太阳能电池有一个问题,它需要一直朝向太阳,这就涉及到昂贵的转动硬件。但是蝴蝶翅膀无论从哪个角度都可以吸收太阳光——这也是新型太阳能电池能够做到的,而且,它吸收的太阳光是之前设计方案的两倍。

蝴蝶翅膀的结构不仅在设计方案上为工程师提供了灵感,制造方面也带来了启发。在生物中,光子结构的发育必须得到精确的控制。这是通过不可混合(不混溶的)的液相分离做到的。3 所以,研究人员使用了一种含有两种聚合物的溶液;一种是形成层的聚合物,另一种是与第一种不混溶的聚合物。最后使纳米孔网络成形的液相分离异常迅速,只需要5 ~ 10分钟。

毫无疑问,太阳能电池是人们设计出来的,值得注意的是,有报道也提到了蝴蝶翅膀的“设计”和“架构”。4、5 所以,使用科学类推原理——这也是达尔文本人常用的——我们难道不应该认为蝴蝶翅膀也有一位设计师或工程师吗? 

 

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参考文献和注释

1. 鳞翅目(蛾子和蝴蝶)都有小鳞片覆盖其翅膀,可提供保温,甚至直接控制温度,同时鳞片形成的斑纹也有隐藏、伪装等功能。

2. Siddique, R.H. et al., Bioinspired phase-separated disordered nanostructures for thin photovoltaic absorbers,Science Advances 3(10):e1700232, 19 October 2017 | doi:10.1126/ sciadv.1700232.

3. Dufresne, E.R. et al., Self- assembly of amorphous biophotonic nanostructures by phase separation, Soft Matter 5:1792–1795, 30 March 2009| doi:10.1039/B902775K.

4. Yirka, B., Black butterfly wings offer a model for better solar cells, phys.org, 19 October 2017.

5. 模仿自然中的设计特征是一门正在快速发展学科,被称为仿生学——参见:creation.com/biomimetics.

 

 本文原英文链接见:https://creation.com/butterfly-solar-cell.
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