縱觀歷史,科學(xué)家在大自然中獲得了無數(shù)的靈感:從蝴蝶的翅膀中獲得顯示器開發(fā)的創(chuàng)意,從壁虎的腳聯(lián)想到粘合劑,仿生學(xué)雖然已經(jīng)不是個新鮮的技術(shù),不過它在石墨烯這個新材料領(lǐng)域之中起到了關(guān)鍵的作用。
對于許多光學(xué)器件來說,光耦合效率是非常重要的,對于那些用來捕捉光的光點器件,特為尤甚,所以光反射涂層 (AR) 在這個領(lǐng)域有特別重要的意義。
光反射涂層是由折射率值不同電介質(zhì)材料層層堆疊起來的,不同的電介質(zhì)材料的厚度,就是決定光反射涂層能否在不同波長的光中發(fā)揮作用的關(guān)鍵。通常情況下,使用真空技術(shù)堆疊在一起的光反射層較厚,不能夠滿足太空望遠(yuǎn)鏡等精密光學(xué)儀器的需求。
雖然現(xiàn)在的光反射涂層對于單一波長的光的吸收效果比較好,但是仍然不能達(dá)到某些光電子器件的需求。如果我們想要開發(fā)出像是「智能墻紙」這樣更高效的轉(zhuǎn)化日光為物聯(lián)網(wǎng)主機提供電力的智能科技產(chǎn)品,我們就需要更輕薄、轉(zhuǎn)化效果更好、造價更低的光反射涂層作為基礎(chǔ)。
在開發(fā)納米級別的光反射涂層的過程中,蛾眼強大的光吸收能力給了科學(xué)家們靈感。蛾千百年來都在夜間活動,它們的角膜不斷進化,對光的捕捉效率不斷提高,這使它們能夠更好的躲避天敵,尋找食物。
科學(xué)家在蛾眼角膜中發(fā)現(xiàn)了一種納米結(jié)構(gòu),并且仿照這種結(jié)構(gòu)排序做出了針對紅外圖像的微型放映裝置。
裝置中使用的材料為15nm的石墨烯疊層,解耦后仿蛾眼的納米結(jié)構(gòu)排列,就得到了超薄的光吸收層。這種吸收層可有效吸收從紅外線到紫外線的光,是能已知材料中能夠吸收同等范圍光波中最薄、效率最高的一種!
科學(xué)家們用計算機模型展示了石墨烯按照蛾眼結(jié)構(gòu)排列的超強光吸收能力:按照蛾眼結(jié)構(gòu)排列的石墨烯材料吸收光的能力是自由排列的五倍。將這種蛾眼排列的石墨烯材料涂在光反射涂層的表面,檢測光的反射情況。測試表明,該材料和蛾眼引導(dǎo)光的方式一樣,可以將光引導(dǎo)到光反射涂層上吸收。
科學(xué)家利用石墨烯為原料,通過DNA復(fù)制, 結(jié)合真空技術(shù),制造出納米尺寸的「人工蛾眼」光吸收器,可以像真正的蛾眼一樣,高效率的吸收超寬范圍的光。除了納米級別的光吸收器,石墨烯蛾眼技術(shù)同樣也可以用于制造更大面積的薄膜。因為石墨烯蛾眼的制造過程,將石墨烯層的電子特性保留,從而與真空堆疊技術(shù)兼容,可以大幅度的降低生產(chǎn)成本,使得它能在很多領(lǐng)域使用。
總之,我們已經(jīng)跨過了最難一道坎,在蛾眼的啟示下,我們利用石墨烯材料制造出了具有同樣光捕捉能力的「石墨烯蛾眼」,并成功地將它運用在紅外光電的MEMS(微機電系統(tǒng))中。在接下來的研究中,科學(xué)家們將嘗試把這種技術(shù)應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。
在未來智能系統(tǒng)之中,石墨烯蛾眼可以成為太陽能電池的材料,使用在光子轉(zhuǎn)化為電子的區(qū)域內(nèi),利用其強大的光吸收能力,幫助實現(xiàn)由光能到電能的高效轉(zhuǎn)化。石墨烯蛾眼將會驅(qū)動智能技術(shù)的發(fā)展,這種太陽能電池的應(yīng)用不局限在上文提出的「智能系統(tǒng)」中,它同樣可以應(yīng)用在其他的光學(xué)組件之中,如光反射涂層眼鏡、整流天線和光檢測設(shè)備。
基于該項技術(shù),科學(xué)家們還計劃開發(fā)低成本,大面積的能量采集材料和設(shè)備,如果成本足夠低廉,那么石墨烯蛾眼墻紙和石墨烯蛾眼熱水器就都會成為可能。據(jù)稱,科學(xué)家們接下來打算與公司進行合作,讓更多的發(fā)展中國家能夠使用到由這種超薄高效材料制作的下一代設(shè)備。