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中興大學研究團隊    解密卷柏矽晶體的特殊光學效應
2022-07-14

【大成報記者吳非羽/臺中報導】你曾被芒草葉割傷嗎?使你受傷的利器正是植物體的矽晶體,其由二氧化矽累積而成,與玻璃的成分相同。中興大學的研究團隊在發現卷柏科植物的巨大葉綠體之後,進一步由物理系、前瞻理工研究中心和生命科學系組成跨領域團隊,發掘出這些植物葉表矽晶體具有超越傳統光學的效應。

興大生命科學系教授許秋容表示,他們在卷柏類植物的葉表發現多種不同形式及大小的矽晶體。當這些位在巨大葉綠體所在表皮細胞上方的透明矽晶體向外突出時,會如何影響光線進入巨大葉綠體呢?研究團隊從植物採集、矽晶體觀察及特徵量測做起,結合幾何光學與物理光學的模擬和推導,歷時4年餘,這項新穎且領先的跨領域研究剛發表在7月的Journal of The Royal Society Interface (英國皇家學會Interface期刊);主要研究者為物理系老師施明智、前瞻中心陳建宇博士、生命科學系碩士生謝佩君與講座教授Peter Chesson。

他們發現不論何種形態及大小的矽晶體,都會使通過的光線重新分布,矽晶體的大小扮演特殊的關鍵角色。當矽晶體夠小時,其形狀影響其光學特性有趨同現象;因為當矽晶體的尺寸接近可見光的波長時 (400~700 nm),物理光學特性成為主導,意即出現顯著的干涉與繞射現象。反之,當矽晶體較大時,光入射後受到幾何光學的影響較大 (如反射與折射),矽晶體的形狀則顯著影響光的分布。

以全緣卷柏乳突狀的矽晶體模擬,結果顯示入射光會匯聚在矽晶體底部下方約0.5微米處,並形成光場強度達約入射光的25倍的光點,恰好是巨大葉綠體 (二區葉綠體) 的上部區域;而異葉卷柏與紅卷柏雖為角錐形矽晶體,模擬顯示也具有匯聚光線的效果 。數據指出,聚光效應源自於繞射的結果,故光強度受限於繞射條件限制、仍達到入射光的4倍;因其聚光的位置皆侷限於單一表皮細胞內部,此聚/散光皆有利於為巨大葉綠體所利用。

施明智指出,有研究顯示水稻葉表矽晶體也能發散光線,其效果在於更均勻地分散葉表入射光於其葉肉組織;但於葉表層細胞則毫無助益。興大這項卷柏矽晶體的光學效應研究,其獨一無二的新穎與開創性,源於卷柏的葉子相對地很薄、且位在表皮細胞的巨大葉綠體是其主要的光合作用區域。波長尺度的矽晶體突出與漏斗形表皮細胞,形成了表層增益的極佳光學物理系統。而該矽晶體的光學效應在表皮細胞所形成的聚光點,巧妙地把一個細胞分割成光強度較高與較低的兩個的區域。

研究團表示,這樣的分隔能與移動能力有限的巨大葉綠體互相配合,在低光時移動到高光區;而在遭遇短暫強光時,移動到低光區以免受強光傷害。這項研究將可對在低光環境下如何獲取光線有所啟發;未來或許可運用在太陽能相關的應用研發。