曲帶閃蛺蝶鱗片結(jié)構(gòu)色與機(jī)理分析

關(guān)會(huì)英 佟以丹 王曉玲

摘 要：本文從仿生學(xué)角度出發(fā)，以曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片為研究對(duì)象，利用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM），研究了藍(lán)色鱗片微觀結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)色形成機(jī)理。結(jié)果表明：曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片的截面形狀是一種類(lèi)似塔狀的多層結(jié)構(gòu)，殼質(zhì)層數(shù)為8層左右，每層殼質(zhì)厚度約77nm，空氣層厚度約92nm，紫色閃光形成機(jī)理是多層結(jié)構(gòu)對(duì)光線(xiàn)的干涉所致。該研究的意義在于為蝴蝶翅面結(jié)構(gòu)隱形效應(yīng)的研究以及視頻仿生隱身材料的設(shè)計(jì)與制備提供參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：蝴蝶鱗片;結(jié)構(gòu)色;微結(jié)構(gòu);隱身

中圖分類(lèi)號(hào)：Q811文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）28-0077-02

Abstract： From the perspective of bionics， apatura laverna leech scales with purple light were chosen as samples， the microstructure and mechanism of structural color were studied by means of optical microscope （OM）， scanning electron microscope （SEM）， and transmission electron microscope （TEM）， then the mechanism of structural color were explained. The results showed that： The cross-section microstructure of the scales was a multi-layered structure similar to a tower; the number of shell layers was about 8，and the thickness of each shell layer and air layer was 77nm and 92nm respectively. The purple light was generated through multilayer interference. The results of this paper can provide inference data for the study of stealth effect of butterfly wing scales and the design and manufacturing of vedio stealth biomimetic materials.

Keywords： butterfly scales;structural color;microstructure;stealth

作為生物界經(jīng)典結(jié)構(gòu)色之一——蝴蝶的結(jié)構(gòu)色，是生物顯色研究的一個(gè)重要分支，多年來(lái)得到了物理、材料、生物等不同領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注[1-2]。本文利用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）表征了曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片微觀結(jié)構(gòu)，借助UG6.0軟件構(gòu)建了其截面結(jié)構(gòu)模型，利用多層干涉理論解釋了紫色閃光的產(chǎn)生原理。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 樣本

樣本（成蟲(chóng)）[如圖1（a）]采自吉林省左家自然保護(hù)區(qū)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇樣本點(diǎn)時(shí)盡量避開(kāi)了眼點(diǎn)、脈管等部位，選取樣本中相對(duì)完好的純色區(qū)域，其尺寸約為5mm×5mm。

1.2 光學(xué)顯微鏡

文中光學(xué)信息的收集是借助光學(xué)顯微鏡觀察完成的，所使用的是OLYMPUS SZX12研究級(jí)體視顯微鏡。

1.3 掃描電子顯微鏡

文中采用的掃描電鏡是JEOL JXA-840型掃描電子顯微鏡，制樣過(guò)程是先將樣本用3%戊二醛溶液固定，之后用乙醚浸泡脫脂10min，取出后用乙醇系列脫水，乙醇濃度分別是40%、50%、70%、100%，每個(gè)階段各浸泡10min，自然干燥后采用雙面膠粘合，樣本鍍金厚度為15～20nm。

1.4 透射電子顯微鏡

文中采用的是JEM-12000EX型透射電子顯微鏡和LKB-Ⅲ型超薄切片機(jī)。制樣過(guò)程是用4%的戊二醛溶液固定樣本2h，磷酸緩沖液緩沖1.5h，之后采用1%的鋨酸固定，時(shí)間約1.5h，結(jié)束后用乙醇梯度脫水，之后進(jìn)行包埋以及切片制作。

2 結(jié)果及討論

如圖1（b）所示，曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片頂端外緣呈橢圓形，鱗片排列緊密，屋脊?fàn)钜来闻砰_(kāi)，從SEM照片[見(jiàn)圖1（c）]可以看到鱗片上沿縱向分布著平行的溝槽結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步通過(guò)TEM照片[見(jiàn)圖1（d）]，曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片的截面形狀也是一種多層結(jié)構(gòu)，截面結(jié)構(gòu)類(lèi)似塔狀，層數(shù)約8層。

借助UG6.0軟件構(gòu)建了其截面結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

就其顯色機(jī)理來(lái)說(shuō)，是通過(guò)多層結(jié)構(gòu)對(duì)光線(xiàn)的干涉形成的，多層薄膜反射波長(zhǎng)與兩層薄膜的折射率、厚度和折射角有下式關(guān)系：

曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片殼質(zhì)層尺寸約為77nm，空氣層的尺寸約為92nm，代入式（1）得[λ]=425.78nm。

425nm正是落在了紫光的范圍內(nèi)，與觀察到的現(xiàn)象一致。

3 結(jié)語(yǔ)

曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片的截面形狀是一種類(lèi)似塔狀的多層結(jié)構(gòu)，殼質(zhì)層數(shù)為8層左右，每層殼質(zhì)厚度約77nm，空氣層厚度約92nm，紫色閃光形成機(jī)理是多層結(jié)構(gòu)對(duì)光線(xiàn)的干涉所致。該研究的意義在于為蝴蝶翅面結(jié)構(gòu)隱形效應(yīng)的研究以及視頻仿生隱身材料的設(shè)計(jì)與制備提供參考數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Vukusic P，Sambles J R，Lawrence C R. Structural Colour： Colour Mixing in Wing Scales of a Butterfly[J].Nature，2000（404）：457.

[2]Han Z，Niu S，Shang C，et al. Light Trapping Structures in Wing Scales of Butterfly Trogonoptera Brookiana[J].Nanoscale，2012（9）：2879-2883.