自然界中繽紛炫目的生物結(jié)構(gòu)色      

  “莊生曉夢迷蝴蝶，望帝春心托杜鵑”，

  “霓旌照耀麒麟車，羽蓋淋漓孔雀扇”。

        自然界生物絢爛的色彩之美往往帶給人們強烈的視覺沖擊，自古以來人們也是毫不吝惜對其的贊美之辭。其實，很多我們目睹的自然界生物身上亮麗的色彩與它們身體上的特殊結(jié)構(gòu)休憩相關(guān)。譬如蝴蝶翅膀上面一層的鱗片排列緊密而有序，與基質(zhì)保持一定的傾角，呈倒伏狀，并沿同一方向，均勻覆蓋在蝴蝶翅膀的基質(zhì)上，鱗片排與排之間有一定的首尾搭接，相鄰鱗片之間也有左右重疊部分，類似屋頂上的瓦片。而下一層則比較光滑。蝴蝶翅膀這種井然有序的納微米結(jié)構(gòu)安排形成了所謂的光子晶體（如圖1~圖2）。然而，上面凹坑的排列、周期和深度是不同的，這就決定了蝴蝶表現(xiàn)出的顏色是不一樣的。

 

                                                                                 圖 1 炫目多彩的粉蝶

 

                                                                                  圖 2 蝴蝶赤羽的顯微結(jié)構(gòu) 

雄孔雀尾巴上羽枝的縱切面微結(jié)構(gòu)類似于二維光子晶體（如圖3~圖4），由于孔雀羽毛顯微結(jié)構(gòu)的帶隙效應(yīng),某些頻率的入射光不能穿透微結(jié)構(gòu)而被反射。反映在光譜上,當(dāng)白光入射時,在具有結(jié)構(gòu)色的區(qū)域,在相應(yīng)的波長區(qū)域會出現(xiàn)一個反射峰值,這就是我們?nèi)搜劭吹降念伾？兹覆煌瑓^(qū)域的羽枝顏色不同(如有綠色羽枝和棕色羽枝),顯微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)不同顏色的羽枝所對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)和垂直于表皮方向上的周期不同,這也是其顯示不同顏色的原因。自然界還有很多類似的例子，如歐泊寶石、海產(chǎn)貝殼、具有金屬光澤的甲蟲體壁表面等等，其奧秘都來源于其表面微結(jié)構(gòu)的周期排布所形成的結(jié)構(gòu)色。

                                                                                    圖 3 雄孔雀開屏尾巴上的羽枝 

                                                                                     圖 4 雄孔雀及其尾巴上羽枝的顯微結(jié)構(gòu)

西班牙馬德里雕塑“流動的旋律”

圖 5所示為西班牙馬德里的一座具有兩百年歷史的著名雕塑“流動的旋律”，它的設(shè)計者Eusebio Sempere通過將若干直徑為2.9cm的不銹鋼空心管柱固定于一個直徑為4m的圓盤之上，并按照一定的幾何周期進行規(guī)律的排布。該雕塑不僅造型美觀，它還有一個顯著的特性，就是某些特定頻率的聲波經(jīng)過雕塑后聽不到了，也就是說特定頻率的聲波無法通過該雕塑傳播。這一特性在1995年由Martinez-Sala等通過試驗測試發(fā)現(xiàn)，基于此人們首次從實驗角度證實了聲子晶體彈性波帶隙的存在，這項成果發(fā)表在著名學(xué)術(shù)期刊Nature上。從此以后，越來越多的研究學(xué)者開始關(guān)注于聲子晶體的研究。 

                                                                                      圖 5 西班牙馬德里雕塑“流動的旋律”

周期結(jié)構(gòu)的帶隙特征

無論是上文所提到的依賴于“光子晶體”原理形成的自然界中五彩繽紛的生物結(jié)構(gòu)色，還是依賴于“聲子晶體”原理的西班牙馬德里雕塑“流動的旋律”，它們都體現(xiàn)著一個共同的特點就是周期結(jié)構(gòu)對特定頻段波的“過濾”作用，使得某頻段的波無法通過其繼續(xù)傳播，我們稱該頻段為此周期結(jié)構(gòu)的“禁帶”或“帶隙”。介電材料和彈性材料的周期分布分別對應(yīng)的構(gòu)成了光子晶體和聲子晶體，二者分別對通過結(jié)構(gòu)的電磁波（光波）或彈性波產(chǎn)生“過濾作用”，造成某些特定頻段的波無法通過其繼續(xù)傳播。

基于上述的周期結(jié)構(gòu)帶隙特性有學(xué)者將聲子晶體引入土木工程和環(huán)境振動領(lǐng)域進行隔（震）振以及噪聲控制，與軌道交通振動研究直接相關(guān)的包括軌下、板下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的周期性設(shè)計及帶隙利用和環(huán)境振動傳播路徑隔振中排樁、波阻塊、結(jié)構(gòu)層狀基礎(chǔ)等，還有和噪聲控制相關(guān)的聲屏障研究。 

                                                                                   圖 6軌下周期波阻墊層結(jié)構(gòu)

 

                                                                                    圖 7板下周期波阻墊層結(jié)構(gòu)

                                                                                    圖 8傳播路徑隔振周期排樁結(jié)構(gòu)

                                                                                    圖 9典型的周期排樁-土系統(tǒng)周期結(jié)構(gòu)頻散曲線及帶隙分布情況

圖 6~圖 8給出了典型應(yīng)用的示意圖，圖 9給出了典型排樁-土系統(tǒng)周期結(jié)構(gòu)的頻散曲線和帶隙分布情況。

目前，人們通過調(diào)整周期結(jié)構(gòu)的材料分布和幾何形式，對帶隙進行控制，希望獲得具有寬帶、低頻特性的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用到軌道交通隔振領(lǐng)域。未來也將會有更多的新穎的周期結(jié)構(gòu)具有更理想的帶隙設(shè)計，更高效地服務(wù)于軌道交通隔振領(lǐng)域。

參考文獻：

[1] 王霞, 王自霞, 呂浩,等. 光子學(xué)視角分析自然界中的生物結(jié)構(gòu)色彩美[J]. 科學(xué)通報, 2010, 55(12):1077-1084.

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[3] 邢俊. 基于聲子晶體的地鐵軌道彈性墊層波阻單元設(shè)計研究[D].西南交通大學(xué),2017.

[4] 黃建坤. 周期性排樁和波屏障在土木工程減振中的應(yīng)用研究[D]. 北京交通大學(xué), 2014.

[5] Huang J, Shi Z. Attenuation zones of periodic pile barriers and its application in vibration reduction for plane waves[J]. Journal of Sound & Vibration, 2013, 332(19):4423-4439.

▲作者：姜博龍，北京交通大學(xué)軌道減振與控制實驗室15級博士生，從事地鐵傳播路徑屏障隔振研究，導(dǎo)師：劉維寧，馬蒙.