TRIZ剪裁思想在科學(xué)研究中的應(yīng)用*

屈 瑜 王勇凱 王天堃 張永元 張中月

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710119)

TRIZ剪裁思想在科學(xué)研究中的應(yīng)用*

屈 瑜 王勇凱 王天堃 張永元 張中月

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710119)

剪裁是現(xiàn)代TRIZ理論體系里的一個非常重要的分析問題工具.在技術(shù)領(lǐng)域，利用剪裁產(chǎn)生新問題，解決新問題以解決項目的初始問題.在介紹剪裁工具基本思想的基礎(chǔ)上，綜述了其在圓二色性研究中的具體體現(xiàn).將使讀者切實感受到剪裁在科學(xué)研究中的存在，自覺應(yīng)用TRIZ剪裁思想將有助于提高創(chuàng)新速度.

TRIZ 剪裁 表面等離激元學(xué) 圓二色性

1 引言

TRIZ意譯為發(fā)明問題解決理論，是前蘇聯(lián)學(xué)者根里奇·阿奇舒勒及他的同事在分析了20萬份專利的基礎(chǔ)上提出的.TRIZ理論成功揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，不是采取折衷或者妥協(xié)的做法，而是著力解決系統(tǒng)中的矛盾問題，獲得最終理想解.TRIZ理論是目前被證實有效的創(chuàng)新方法.剪裁是一種現(xiàn)代TRIZ理論中分析問題的工具，是指將一種或一個以上的系統(tǒng)組件去掉，而將其所執(zhí)行的有用功能利用系統(tǒng)或超系統(tǒng)的剩余組件代替的方法.通常選擇那些剪裁后對系統(tǒng)改善最大或是有缺點的組件.剪裁程度可以是激進(jìn)式的也可以是漸進(jìn)式的，具體看項目限制.剪裁作為現(xiàn)代TRIZ理論體系里的一個非常重要的部分，是區(qū)別于經(jīng)典TRIZ理論的一個重要工具.

剪裁有3條規(guī)則[1].假設(shè)圖1中一個功能的載體對功能的對象執(zhí)行了一定的功能.

圖1 功能的表述

剪裁規(guī)則A：如果功能的對象被剪裁，那么功能的載體就可被剪裁.例如，白熾燈的玻璃罩的功能是隔絕罩內(nèi)真空環(huán)境和罩外空氣，功能的載體是玻璃罩，功能的對象是罩內(nèi)的真空環(huán)境，保持的參數(shù)為罩內(nèi)的真空度，對于在宇宙飛船上的白熾燈來說，功能的對象真空環(huán)境是普遍存在的，那么作為功能載體的玻璃罩就沒有必要存在了，況且玻璃罩在起飛和著陸的時候容易破碎，因此玻璃罩就可以被剪裁掉.

剪裁規(guī)則B：如果功能的對象自己可以執(zhí)行這個功能，那么功能載體可以被剪裁掉.例如，眼鏡可以把鏡框、鏡腿、鼻托、螺絲等系統(tǒng)組件都裁剪掉，只保留鏡片，將其變身為隱形眼鏡，仍可執(zhí)行眼鏡的功能.

剪裁規(guī)則C：如果能從系統(tǒng)或者超系統(tǒng)中找到另外一個組件執(zhí)行該功能，那么功能的載體是可以被剪裁掉的.例如，汽車上獨立的氣囊蓋是用來存儲安全氣囊的，氣囊蓋是功能載體，安全氣囊是功能的對象，保持的參數(shù)是氣囊的位置，在這里我們用汽車的方向盤執(zhí)行氣囊蓋的功能(存儲氣囊)，所以獨立的氣囊蓋就可以被剪裁掉了.

剪裁可以幫助人們分析問題，產(chǎn)生新問題，確定解決初始問題的新方向，突破思維障礙，打破思維定勢，以新的視角分析問題，加快創(chuàng)新的進(jìn)程，提高研發(fā)項目的成功率.

2 剪裁思想在科學(xué)研究中的應(yīng)用

在科學(xué)研究中，某種機(jī)理的產(chǎn)生往往需要多種必備的要素(功能)，但是，這些要素在具體環(huán)境下的實現(xiàn)難度是不同的.要素意味著功能.利用剪裁思想，剪裁掉在具體環(huán)境下不容易實現(xiàn)或操控的要素，并將該要素的功能轉(zhuǎn)移給其他要素，這樣不僅會降低系統(tǒng)成本，而且會提升研究者對這種機(jī)理的認(rèn)識.剪裁與常規(guī)思維方式不一樣，它不是通過修復(fù)有問題的組件來解決問題，而是將有問題的組件去掉，然后解決去掉組件后產(chǎn)生的新問題.解決了剪裁帶來的新問題意味著創(chuàng)新，剪裁的程度越大，則創(chuàng)新的水平也越高.

在實際應(yīng)用中，首先分析產(chǎn)生新機(jī)理的文獻(xiàn)，確定了研究問題后，深入分析問題的類型，找出文獻(xiàn)描述的系統(tǒng)中所有組件，分析組件的功能，用功能語言描述所研究的問題.應(yīng)用裁剪思想，剪裁掉某些組件，用其他組件來完成它所執(zhí)行的功能.將裁剪后的模型重新描述分析，將會得到一系列新的問題.解決新問題將會在不同環(huán)境下產(chǎn)生基于相同機(jī)理的新現(xiàn)象.

3 表面等離激元和圓二色性簡介

表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是存在于金屬和介質(zhì)界面處的電磁表面波.由于其獨特的性質(zhì)和可觀的應(yīng)用前景，近年來受到了大量的關(guān)注，逐漸發(fā)展成為一個學(xué)科,稱為表面等離激元學(xué)(Plasmonics).表面等離激元可以分為傳播的表面等離激元(表面等離極化激元)和不傳播的表面等離激元(局域表面等離激元).SPPs具有很多新效應(yīng)和新應(yīng)用，例如透射增強(qiáng)效應(yīng)、選擇性光吸收、電場強(qiáng)束縛等.SPPs獨特的光學(xué)性質(zhì)使其受到了物理學(xué)、光學(xué)、材料科學(xué)、納米科技等研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[2～4].手性指的是結(jié)構(gòu)不能與其鏡像結(jié)構(gòu)重合的性質(zhì)，圓二色性[Circular dichroism (CD)]是檢測手性結(jié)構(gòu)的一種方法.圓二色性指的是手性結(jié)構(gòu)對左旋圓偏振光和右旋圓偏振光(left-and right-handed circular polarizations,LCP and RCP)吸收不同的性質(zhì).手性結(jié)構(gòu)普遍存在于大自然中，手性在生物化學(xué)和生命進(jìn)化中起著關(guān)鍵的作用.一般手性分子的圓二色性在紫外光波段非常微弱，不利于生物醫(yī)學(xué)和藥物學(xué)的實際信號檢測[5～7].近年來，研究者利用手性等離激元納米結(jié)構(gòu)，通過其與光相互作用產(chǎn)生的SPPs使生物分子圓二色性響應(yīng)增強(qiáng)，其獨特的光學(xué)性質(zhì)通常用在光電子器件轉(zhuǎn)換圓偏振光[8]以及生物分子分析中[9].

4 剪裁思想在圓二色性研究中的應(yīng)用

一般來講，產(chǎn)生手性的必要條件是交叉非對稱的電偶極子，兩個電偶極子具有相位差，如圖2所示.存在一定空間角度的上下兩個金屬棒結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生CD信號[10].用TRIZ語言描述即：系統(tǒng)中的組件有上金屬棒、下金屬棒、中間空氣介質(zhì)層；超系統(tǒng)組件有入射光.上、下棒的功能是產(chǎn)生局域電子振動，中間空氣介質(zhì)層的功能是產(chǎn)生相位差.

圖2 產(chǎn)生圓二色性的交叉棒模型

下面將用裁剪工具分析圓二色性產(chǎn)生的問題，以期產(chǎn)生新的想法.

(1)原交叉棒結(jié)構(gòu)在垂直光入射方向上具有一定的高度差，以此來產(chǎn)生相位差.如果將兩棒置于一個平面內(nèi)(沒有高度差)，將產(chǎn)生相位差的原因給超系統(tǒng)組件(入射光).如果能解決入射光導(dǎo)致相位差的問題，那么就能夠產(chǎn)生CD.研究表明單層結(jié)構(gòu)在斜入射下可以激發(fā)CD效應(yīng).當(dāng)納米棒二聚體放置在傾斜入射光下，大納米棒上的電偶極子與小金屬棒上的電偶極子振蕩路徑不平行.大小金屬棒之間出現(xiàn)了相位差，這個差異形成了手性性質(zhì)[11].在這里，用的是剪裁規(guī)則C，用超系統(tǒng)中的光傾斜照射平面結(jié)構(gòu)，以此來執(zhí)行上下兩棒產(chǎn)生相位差的功能，也就是說上下金屬棒就可被剪裁掉.這樣就可以制備單層結(jié)構(gòu)而非雙層金屬棒，使其在實際應(yīng)用中更廣泛.

(2)當(dāng)剪裁掉中間空氣介質(zhì)層后，應(yīng)用其他結(jié)構(gòu)將兩個偶極子振動(兩根棒上的振動)連接起來，從而形成3D手性結(jié)構(gòu)，包括多種金屬螺旋材料和多層手性金屬結(jié)構(gòu)，形成較強(qiáng)的光學(xué)CD效應(yīng)[12].當(dāng)銀納米螺旋在LCP和RCP的入射下，相鄰偶極子之間耦合形成CD.這里用到的是剪裁規(guī)則A.

(3)應(yīng)用剪裁工具中的規(guī)則B，我們小組將中間空氣層剪裁掉，用系統(tǒng)的兩個棒本身執(zhí)行產(chǎn)生相位差的功能，設(shè)計了具有高度差的L型結(jié)構(gòu)并在實驗上成功制得這種結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)本身的高度差在垂直光的照射下產(chǎn)生的相位差來產(chǎn)生CD.應(yīng)用有限元COMSOL數(shù)值算法和實驗研究了其在LCP和RCP的激發(fā)下的不同光學(xué)響應(yīng)，結(jié)合超手性電磁場分布并探索了其產(chǎn)生CD的機(jī)制.該文章于2016年發(fā)表在國際期刊“Optics Express”[13].

(4)應(yīng)用剪裁工具中的規(guī)則C，我們引入不同介質(zhì)層來執(zhí)行產(chǎn)生相位差的功能以實現(xiàn)CD效應(yīng).將中間的空氣層變成3層的介質(zhì)-金屬-介質(zhì)，通過中間金屬層的作用，可以有效實現(xiàn)間接耦合從而提高結(jié)構(gòu)手性，如圖3所示.該方法已經(jīng)通過計算機(jī)模擬證實并已撰寫文章，于2016年發(fā)表在國際期刊“Journal of Physics D: Applied Physics”[14].

圖3 加入多層介質(zhì)的手性結(jié)構(gòu)

另外，借鑒剪裁規(guī)則B的思想，如果結(jié)構(gòu)自身可以執(zhí)行產(chǎn)生相位差這一功能，中間的空氣介質(zhì)層可以被剪裁掉.我們將平面結(jié)構(gòu)傾斜一定的角度，并已在實驗上成功制得該結(jié)構(gòu)，如圖4所示.該結(jié)構(gòu)對于垂直照射的LCP和RCP入射光的不同的響應(yīng)就會產(chǎn)生CD效應(yīng).此外，還可以借鑒剪裁規(guī)則C的思想，用各向異性介質(zhì)層來執(zhí)行產(chǎn)生相位差，從而激發(fā)出更有趣的CD效應(yīng).

圖4 傾斜U型結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文應(yīng)用TRIZ裁剪工具詳細(xì)分析了微納米光子學(xué)中圓二色性結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程.這些結(jié)果說明剪裁思想在圓二色性產(chǎn)生的研究過程中的重要作用，不僅是對已有事實的陳述，而且也是產(chǎn)生具有創(chuàng)造性的新概念、實現(xiàn)光學(xué)研究的快速創(chuàng)新，驗證了TRIZ理論在科學(xué)研究中的適應(yīng)性及有效性.將TRIZ方法引入到某些科學(xué)研究領(lǐng)域中，能夠幫助研究者更加快速地產(chǎn)生科學(xué)創(chuàng)新設(shè)計和方案，從而加快創(chuàng)新過程，提升創(chuàng)新效率.

1 孫永偉，謝爾蓋·伊克萬科．TRIZ打開創(chuàng)新之門的金鑰匙．北京：科學(xué)出版社，2015．79～98

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14 Y. K. Wang, X. J. Wen, Y. Qu, et al. Direct and indirect coupling mechanisms in a chiral plasmonic system. J. Phys. D: Appl. Phys., 2016, 49(40): 405104

*國家自然科學(xué)基金，項目編號:61575117；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金,項目編號：GK201601008；陜西師范大學(xué)研究生培養(yǎng)創(chuàng)新基金,項目編號：2015CXS033

屈瑜(1992- )，女，在讀碩士研究生，主要從事微納米光子學(xué)方面的學(xué)習(xí)與研究.

指導(dǎo)教師：張中月(1975- )，男，博士，教授，主要從事微納米光子學(xué)方面的研究.

2016-10-28)