蝴蝶啟發更佳的熱影像技術

圖片來源:Scott Ableman@Flickr,根據創用CC-By 2.0條款使用

美國研究人員發現,蝴蝶色彩鮮豔的翅膀有助於工程師研發體積更小、反應更快的溫度感測器。由於此科技不需使用昂貴且龐大的冷卻設備,對於熱成像技術與醫療診斷皆有所助益。

測量溫度的方法很多,例如可以測量電阻隨溫度的變化。為維持對熱輻射的靈敏度,昂貴又佔空間的冷卻系統成為不可或缺的配備,否則感熱儀器將無法判別熱源是否早已移除。因此,最靈敏的熱顯像儀需以液態氦降溫冷卻。散熱器通常體積不小而且耗電,不僅限制了感熱器的最小尺寸與效能,對於設計可攜式裝置更是一大挑戰。

最近,奇異電子(General Electric)的 Radislav Potyrailo 與紐約大學阿爾巴尼(Albany)分校的研究伙伴發現,在大自然的智慧下,高靈敏度和便利性這兩大需求將有機會一次滿足。他們的靈感來自於藍默蝶(Morpho butterfly)的炫彩翅膀,覆蓋其上的鱗片會反射某些波長的光而吸收其他光線,而隨著翅膀溫度上升,不同波長的光反射強度會稍微改變,造成色彩的差異。

圖片來源:physicsworld.com

Potyrailo 團隊的目標為探究此機制並試圖應用於溫度感測器。藍默蝶的翅膀是由天然聚合物幾丁質(chitin)組成,其熱容值遠低於目前感知器內所使用的金屬和半導體。換言之,採用此材料可有效迅速降溫而不需額外的散熱器。研究人員以紅外線照射翅膀一側,熱膨脹使得鱗片間距稍微增加,導致另一側吸收與反射波長的改變,同時幾丁質的折射率也約略降低。

先前已有研究顯示在物質表面上塗佈奈米碳管(carbon nanotube)能增強對紅外線的吸收能力,Potyrailo 團隊則證實奈米碳管對藍默蝶翅膀亦具有同等效果,此外,由於奈米碳管具絕佳導熱率,可作為分子級散熱器來協助幾丁質更快散熱。

此研究仍處於初步階段,在打造可用的感測器前,研究人員必須研發出製作具奈米結構之幾丁質或相似物質的方法。他們認為未來可望製造出便宜且多重色彩的熱影像感測器,能以不同顏色區隔中紅外與遠紅外線。詳見 Nature Photonics|DOI:10.1038/nphoton.2011.355。

譯者:姚淳颺(逢甲大學光電學系)
責任編輯:劉家銘
原文網址:Butterfly lights the way to better thermal imaging—physicsworld [2012-02-14]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-03-10] 


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