Infrared absorbers inspired by nature

技术摘要：受自然启发的红外吸收体

问题陈述
现代社会在能量采集、转换和回收方面面临着重大挑战。虽然中红外（mid-IR）热辐射代表了一种普遍且易于获取的能量来源——它既来自太阳照射，也来自机械、发动机及工业过程（通常为 150°C 至 950°C）产生的热耗散——但其潜力在很大程度上尚未得到开发。目前的基于光子的策略已成功增强了太阳能转换（例如在光伏和热光伏电池中），但仍需提高捕捉和回收辐射热损失的效率。人类的设计往往缺乏自然系统中发现的那种复杂性，而自然系统经过数百万年的进化，已能高效地管理热辐射和体温调节。本文旨在填补理解如何利用自然光子结构来增强能量采集、转换和回收方面的空白，特别侧重于从生物观察到仿生工程的转变。

研究方法
本文采用了全面的综述方法，综合了关于自然光子结构及其光学特性的现有文献。其方法包括：

1. 生物学分析： 研究多种生物（昆虫、鸟类、鱼类、植物）的表皮，以识别负责超黑着色、抗反射和热辐射管理的结构。这包括分析特定的生物特征，如鳞翅目翅膀鳞片、甲虫鞘翅、鸟类羽毛、蜘蛛角质层和植物表皮细胞。
2. 光学表征： 综述关于紫外、可见及红外范围内的反射率、吸收率和发射率光谱的实验数据。这包括使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）来将微/纳米结构与光学性能进行关联。
3. 仿生复制： 调查利用自下而上（如自组装、溶胶-凝胶法）和自上而下（如纳米压印光刻、反应离子刻蚀）制造技术复制自然模板，以创建人工吸收体和抗反射涂层的相关文献。

主要贡献与发现

• 用于光与热管理的自然机制：

  • 鳞翅目（蝴蝶/蛾类）： 本文详细阐述了如 Trogonoptera brookiana 和 Papilio ulysses 等物种中的超黑着色是如何通过复杂的二维准周期孔洞（蜂窝状、人字形）和脊状结构产生的。这些结构增加了表面积，通过多重散射捕获光线，并增强了底层黑色素的吸收。值得注意的是，Troides magellanus（马哲兰鸟蝶）由于几丁素 C=O 振动，在 3 µm 和 6 µm 处表现出特定的吸收峰，从而实现辐射冷却。同样，Archaeoprepona meander 利用 6-µm 的发射峰进行热调节，使其在温度低于 40°C 时能有效采集热量，并在温度超过 40°C 时促进辐射冷却。
  • 抗反射结构： 如 Greta spp. 和 Cacostatia ossa 等物种中的透明翅膀利用乳突阵列（有序或无序的突起晶格）来实现阻抗匹配，使整个可见光谱范围内的反射率降至 2% 以下。类似的结构也存在于蝉翼和复眼中。
  • 甲虫与鸟类： Rosalia alpina 甲虫使用“帐篷状”鳞片进行光捕获和热调节。天堂鸟（Parotia wahnesi）通过弯曲的羽小枝创造深腔，实现了近乎完美的吸收（99.95%），最大限度地减少了镜面反射。跳蛛（Maratus spp.）利用微透镜阵列和刷状鳞片实现了超黑度（反射率 <0.5%）。
  • 植物： 花瓣表皮细胞（如 Viola）充当微透镜以延长光程，而 Begonia 和 Selaginella erythropus 则利用具有周期性多层的铱质体（iridoplasts）和双质体（bizonoplasts）通过慢光效应增强绿光吸收。天鹅绒花（Edelweiss）利用中空的、波纹状的丝状体作为紫外选择性波导，以耗散有害的紫外能量。

• 仿生应用与结果：

  • 抗反射涂层： 通过使用二氧化硅纳米颗粒、PDMS 模具或直接纳米压印光刻技术复制蛾眼和蝉翼乳突阵列，已成功制备出在可见光谱中反射率低至 0.5%、在可见-近红外范围内反射率 <5% 的涂层。这些涂层已被应用于太阳能电池板、传感器和相机镜头。
  • 增强太阳能采集： 将蝴蝶翅膀鳞片（如 Trogonoptera brookiana）的负模集成到太阳能电池中，已证明能显著降低反射率并提高短路电流（在掠入射时高达 44%）。
  • 光催化与等离激元： 借鉴 Papilio nireus 翅膀制造的混合光子-等离激元结构（如金纳米天线在氧化铋钒 BVO 上），显示出光采集能力提升 25%（700–1200 nm）以及电场强度 3.5 倍的增强，从而实现了卓越的光催化活性。
  • 无序吸收体： 模仿 Pachliopta aristolochiae 不规则鳞片的纳米结构非晶硅薄膜，在 450–800 nm 范围内实现了 207%（0° 入射）和 93%（50° 入射）的相对积分吸收率。

意义与主张
本文认为，仿生是推进高效能技术的关键策略。通过回顾自然系统的复杂光学特性，作者强调这些结构为管理电磁辐射提供了可扩展的解决方案。这项工作的意义在于证明了进化用于生存的自然光子器件，可以转化为工程材料，用于：

• 提高光伏（PV）和热光伏（TPV）电池的效率。
• 改进热电发生器（TEG）和人工光合作用。
• 开发被动辐射冷却系统。
• 创建先进的光催化和电磁伪装材料。

文章得出结论，尽管人工智能正在进步，但仿生仍然是一种引导力量。将对自然光子机制的理解与现代制造技术相结合，为可持续能源解决方案提供了一条路径——即利用“自然设计的精妙之处”来满足人类的能源需求，而不是发明新的物理原理，而是通过适应现有的生物效率来实现目标。