吉丁蟲(chóng)體表的光譜測(cè)試及結(jié)構(gòu)觀測(cè)

黃杰敏 葉志剛 楊樹(shù)

摘 要：自然界中的色彩分化學(xué)色和結(jié)構(gòu)色兩種，吉丁蟲(chóng)體表具有多種色彩的金屬光澤，其色彩的形成機(jī)理在本文中被研究。本文采用微型光譜儀對(duì)吉丁蟲(chóng)的不同部位進(jìn)行了變角度光譜測(cè)試，驗(yàn)證了吉丁蟲(chóng)的結(jié)構(gòu)色特征。隨后用光學(xué)顯微鏡和電子掃描顯微鏡觀察了吉丁蟲(chóng)的表面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)吉丁蟲(chóng)的表面有許多孔洞和細(xì)紋。而這些表面的特殊結(jié)構(gòu)具備了產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：吉丁蟲(chóng)；結(jié)構(gòu)色；光譜測(cè)試；表面結(jié)構(gòu)

自然界的色彩主要有兩種顏色：結(jié)構(gòu)色和化學(xué)色。借助化學(xué)著色劑如色素、顏料等達(dá)到染色的目的，即化學(xué)色；結(jié)構(gòu)色，不依賴于任何化學(xué)染料，通過(guò)光柵衍射、散射、干涉和光學(xué)過(guò)程的組織結(jié)構(gòu)及其特殊白色物體顯示顏色。結(jié)構(gòu)色對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的生物學(xué)功能，這是一個(gè)長(zhǎng)期的生物進(jìn)化。

甲蟲(chóng)已經(jīng)在地球上生存了約30億年，許多甲蟲(chóng)都展示了它們壯觀的彩虹色，被稱為“活寶石”。在2003年，A.R.Parker在昆士蘭澳大利亞?wèn)|北部森林發(fā)現(xiàn)的甲蟲(chóng)，它有一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的彩色金屬板，從任何方向可見(jiàn)。用掃描電子顯微鏡對(duì)薄膜的標(biāo)度截面進(jìn)行了觀察。

結(jié)構(gòu)顏色具有不褪色、環(huán)保和虹彩效果。因此，結(jié)構(gòu)色在人類社會(huì)生活中的應(yīng)用將在服裝、裝飾、防偽等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。我們?cè)诒緦?shí)驗(yàn)中對(duì)吉丁蟲(chóng)色彩的形成機(jī)制，色彩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，希望建立光子晶體的結(jié)構(gòu)模型，為色彩仿生材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

1.試驗(yàn)樣本

本實(shí)驗(yàn)所采用的樣本為吉丁蟲(chóng)。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)觀察的部位為綠色鞘翅和紅色尾部。吉丁蟲(chóng)產(chǎn)于馬來(lái)西亞，屬于吉丁科。該昆蟲(chóng)的體長(zhǎng)約為28毫米，鞘翅細(xì)窄，表面具有銅綠色的金屬光澤。其頭部和前胸背板均為黃綠色，尾部具有少量紅色。

2. 變角度光譜測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用變角度光譜測(cè)試法，分別從90°、60°、30°、0°的入射角測(cè)量反射光譜。若光譜圖中波峰的峰位隨著入射角的改變而發(fā)生移動(dòng)，則表明該樣本存在結(jié)構(gòu)色；否則，為色素色。

圖2（a）（b）分別顯示的是吉丁蟲(chóng)部位1、部位2的變角度光譜圖，其中曲線1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)90°、60°、30°、0°的入射角。如圖2（a）所示，隨著入射角的減小，波峰往波長(zhǎng)小的位置移動(dòng)，即藍(lán)移。而在光譜圖中，峰位表示顏色的色調(diào)，這就表明顏色發(fā)生了改變，該部位存在結(jié)構(gòu)色。而對(duì)于部位2，可觀察到圖2（b）中各曲線的峰位所在區(qū)域并不相同，波峰峰位發(fā)生紅移。同樣地，部位2也存在結(jié)構(gòu)色。

3. 結(jié)構(gòu)觀察

驗(yàn)證吉丁蟲(chóng)的兩個(gè)部位均為結(jié)構(gòu)色后，下一步需要對(duì)這兩個(gè)部位的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)顯微鏡，掃描電鏡測(cè)試，觀察和分析各部位所具有的特殊微觀結(jié)構(gòu)。

3.1 光學(xué)顯微鏡觀測(cè)吉丁蟲(chóng)的結(jié)構(gòu)形貌

實(shí)驗(yàn)借助光學(xué)顯微鏡對(duì)吉丁蟲(chóng)不同部位的結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行了研究分析。

圖3為吉丁蟲(chóng)在光學(xué)顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)圖。其中（a）、（b）分別表示50倍、500倍放大倍數(shù)下部位1的結(jié)構(gòu)圖。在顯微鏡的觀察下，可發(fā)現(xiàn)吉丁蟲(chóng)翅膀表面布滿凹陷的孔洞和細(xì)紋，且其表面整體呈現(xiàn)黃綠色，具有明亮的光澤。（c）、（d）顯示的是50倍、500倍放大倍數(shù)下部位2的結(jié)構(gòu)圖，其表面凹凸不平，布滿細(xì)微的孔洞，且孔洞內(nèi)部存在黃綠色物質(zhì)。

3.2 SEM觀測(cè)下吉丁蟲(chóng)的表面微觀結(jié)構(gòu)

光學(xué)顯微鏡存在局限性，它只能初步判斷昆蟲(chóng)表面的色彩分布和大致結(jié)構(gòu)，為細(xì)致觀察昆蟲(chóng)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)對(duì)吉丁蟲(chóng)不同部位的表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，即SEM。

圖4顯示的是SEM觀測(cè)下吉丁蟲(chóng)的表面微觀結(jié)構(gòu)。其中圖4（a）、（b）分別是1000倍、5000倍放大倍數(shù)下部位1的結(jié)構(gòu)圖。可見(jiàn)該部位表面布滿大小不一、高低不勻的凹坑，破壞了表面的平整度。此外，仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)，這些凹坑的分布存在一定的規(guī)律，將連續(xù)的凹坑相連可形成一個(gè)個(gè)多邊形，即一個(gè)五角形或六角形的每個(gè)頂點(diǎn)有一個(gè)凹坑，具體如圖4（b）所示。圖4（c）、（d）是1000倍、5000倍放大倍數(shù)下部位2的結(jié)構(gòu)圖。觀察其部位2，可發(fā)現(xiàn)該吉丁蟲(chóng)尾部與翅膀結(jié)構(gòu)相似，表面也布滿規(guī)則的凹坑。此外，放大觀察倍數(shù)，可發(fā)現(xiàn)除規(guī)則分布的凹坑外，其表面還有較多細(xì)紋和許多不規(guī)則的細(xì)小微孔，微孔大小和形狀各異。

本文通過(guò)微型光譜儀對(duì)吉丁蟲(chóng)的外表顏色進(jìn)行測(cè)試，證實(shí)其表面色彩隨著入射光角度的不同而發(fā)生變化，即吉丁蟲(chóng)體表的顏色是結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生的。產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是周期性重復(fù)的微納米結(jié)構(gòu)，根據(jù)光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)吉丁蟲(chóng)表面結(jié)構(gòu)的觀察，其表面的孔洞和細(xì)紋呈現(xiàn)周期性重復(fù)的特征，具備成為光子晶體結(jié)構(gòu)色的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，但進(jìn)一步的分析仍需在今后的研究中繼續(xù)進(jìn)行。

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（作者單位：嘉興學(xué)院南湖學(xué)院化紡系，浙江 嘉興314000）