綠帶翠鳳蝶中的一維光子晶體結(jié)構(gòu)研究

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)，以綠帶翠鳳蝶藍(lán)色鱗片為研究對(duì)象，借助掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、反射光譜等分析工具，表征了綠帶翠鳳蝶藍(lán)色鱗片微觀結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上探討了其結(jié)構(gòu)色形成機(jī)理。結(jié)果表明：藍(lán)色鱗片截面微結(jié)構(gòu)是一種由殼質(zhì)與空氣交替組成的層結(jié)構(gòu)，殼質(zhì)層數(shù)為8層左右，該結(jié)構(gòu)具有一維光子晶體結(jié)構(gòu)特征，存在474～500 nm的帶隙;顯色機(jī)理是光子帶隙結(jié)構(gòu)對(duì)光的調(diào)制作用。該研究可為視頻仿生隱身材料的設(shè)計(jì)與制備提供新思路和參考數(shù)據(jù)。

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

中圖分類號(hào)：TB17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）34-0073-03

One-dimensional Photonic Crystal Structure in Papilio Maackii Scales

GUAN Huiying TONG Yidan WANG Xiaoling

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022）

Abstract： From the perspective of biomimetics， Papilio maackii Menerries were chosen as samples， the microstructure and mechanism of structural color were studied by means of Scanning electron microscope （SEM）， Transmission electron microscope （TEM） and Reflection spectrum. The results show that the blue scale cross-section microstructure is a layer structure composed of shell and air alternately. The shell layer number is about 8. The structure has the characteristics of one-dimensional photonic crystal structure， with a band gap of 474-500 nm; the color development mechanism is the modulation of light by the photonic band gap structure. The research can provide new ideas and reference data for the design and preparation of video bionic stealth materials.

Keywords： butterfly scales;structural color;microstructure;photonic crystal

蝴蝶的結(jié)構(gòu)色是生物界經(jīng)典結(jié)構(gòu)色之一，一直以來備受生物、物理、材料、仿生等諸多領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。無論是其形成機(jī)理[1-6]、分類[7]、與色素色的關(guān)系[8]，還是仿生模型的制備[5-7，9]，都有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文在排除色素影響的基礎(chǔ)上[10]，觀察了綠帶翠鳳蝶藍(lán)色鱗片的微觀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用光子晶體理論解釋了藍(lán)色的產(chǎn)生，證實(shí)了其藍(lán)色鱗片多層結(jié)構(gòu)是一種一維光子晶體結(jié)構(gòu)，并利用光子晶體反射率計(jì)算程序TransLight軟件模擬了其反射光譜。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)樣本

綠帶翠鳳蝶（成蟲）活體采自吉林省吉林市左家自然保護(hù)區(qū)。制作試驗(yàn)樣本時(shí)，避開了其翅面眼點(diǎn)、脈管等部位，保留相對(duì)完好的純色區(qū)域，樣本尺寸約為4 mm×4 mm。

1.2 光學(xué)顯微鏡（Optical Microscopy，OM）

借助OLYMPUS SZX12研究級(jí)體視顯微鏡完成對(duì)樣本結(jié)構(gòu)色的觀察取樣。

1.3 掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）

借助JEOL JXA-840型掃描電子顯微鏡觀察樣本鱗片表面微觀結(jié)構(gòu)。樣品制作過程是先利用3%濃度的戊二醛溶液固定，之后在乙醚中浸泡脫脂約10 min，取出后在濃度分別為40%、50%、70%、100%的乙醇溶液中進(jìn)行梯度脫水，各個(gè)濃度都浸泡約10 min，自然風(fēng)干，雙面膠粘臺(tái)，噴金厚度為15～20 nm。

1.4 透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）

透射電子顯微鏡以及切片機(jī)采用的型號(hào)分別是JEM-12000EX型和LKB-Ⅲ型。其樣本制作過程是首先用濃度為4%的戊二醛溶液固定，時(shí)間約2 h，再用磷酸緩沖液緩沖1.5 h，之后采用1%的鋨酸后固定約1.5 h，完成后利用乙醇梯度脫水，最后進(jìn)行包埋以及切片制作。

1.5 反射光譜

采用北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TU-1901紫外可見分光光度計(jì)以及積分球附件。

2 結(jié)果及討論

在光學(xué)顯微鏡下（OM），綠帶翠鳳蝶藍(lán)色鱗片致密而有序地排列，沿同一方向倒伏狀平鋪在基質(zhì)表面。鱗片各排之間首尾搭接，類似屋頂上的瓦片，部分相鄰鱗片也有左右重疊部分。單個(gè)鱗片的長(zhǎng)度方向尺寸約200 nm，形狀似盾牌形，頂端平直。鱗片呈亮藍(lán)色，反光強(qiáng)烈，泛明顯金屬光澤，有顯著的結(jié)構(gòu)色特征。

圖1和圖2分別是綠帶翠鳳蝶藍(lán)色鱗片的SEM照片和TEM照片。從圖1可知：鱗片表面的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是生物組織構(gòu)成的條狀物沿著鱗片的倒伏方向平行排列，貫穿整個(gè)鱗片，這里稱為脊線，脊線間距約4 μm。脊線之間沿鱗片倒伏方向是一種波浪狀結(jié)構(gòu)，且“波浪”結(jié)構(gòu)表面相對(duì)光滑，“波峰”間近似平行，被稱為肋線。肋線之間距離不等，但尺寸都在3.3～3.5 μm。圖2為TEM結(jié)果，從圖2可知，鱗片截面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是多層結(jié)構(gòu)，由殼質(zhì)與空氣交替組成，殼質(zhì)層數(shù)約為8層，每層殼質(zhì)厚度約為0.118 μm，空氣層厚度約為0.047 μm，脊線的截面無特殊結(jié)構(gòu)。很明顯，這種層結(jié)構(gòu)具有一維光子晶體結(jié)構(gòu)特征[11]。

基于對(duì)綠帶翠鳳蝶藍(lán)色鱗片微結(jié)構(gòu)的觀察分析，研究者建立了如圖3所示結(jié)構(gòu)模型。

應(yīng)用光子晶體相關(guān)計(jì)算公式，光子帶隙即反射峰位置可由調(diào)整過的Snell公式給出[12]：

[λ=2d（n2eff-sin2θ）12]? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[λ]是光在真空中的波長(zhǎng);[d]為晶格常數(shù)，即面間距;[θ]為入射角;[neff]為有效折射率，由不同組成材料的相對(duì)折射率決定，其計(jì)算公式為：

[n2eff=n21f1+n22（1-f1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[n1]和[n2]分別為介質(zhì)1和2的折射率;[f1]為介質(zhì)1的填充率。代入數(shù)值得反射峰位置在472.2 nm，與反射光譜結(jié)果基本吻合[見圖4（a）]。圖中峰值出現(xiàn)在474 nm。

利用光子晶體反射率計(jì)算程序TransLight軟件進(jìn)行光譜模擬，得到了如圖4（b）所示的理論反射光譜形狀，峰值出現(xiàn)位置基本一致，但理論模擬得到的禁帶寬度比試驗(yàn)得到的要窄，影響禁帶寬度的主要因素是殼質(zhì)層與空氣層尺寸，因其周期尺寸不是十分嚴(yán)格，再加上儀器的測(cè)量誤差使實(shí)測(cè)峰值和理論峰值之間有一定差距，從而使試驗(yàn)結(jié)果和理論模擬存在一定差值。

3 結(jié)論

綠帶翠鳳蝶藍(lán)色鱗片截面微結(jié)構(gòu)是一種由殼質(zhì)與空氣交替組成的層結(jié)構(gòu)，殼質(zhì)層數(shù)為8層左右，每層殼質(zhì)厚度約為0.118 μm，空氣層厚度約為0.047 μm，證實(shí)了該結(jié)構(gòu)是一維光子晶體結(jié)構(gòu)，存在474～500 nm的帶隙，這也是使鱗片呈現(xiàn)藍(lán)色閃光的原因。該研究可為視頻仿生隱身材料的設(shè)計(jì)與制備提供新思路和參考數(shù)據(jù)。

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