曲帶閃蛺蝶鱗片結構色與機理分析

關會英 佟以丹 王曉玲

摘 要：本文從仿生學角度出發，以曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片為研究對象，利用光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM），研究了藍色鱗片微觀結構以及結構色形成機理。結果表明：曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片的截面形狀是一種類似塔狀的多層結構，殼質層數為8層左右，每層殼質厚度約77nm，空氣層厚度約92nm，紫色閃光形成機理是多層結構對光線的干涉所致。該研究的意義在于為蝴蝶翅面結構隱形效應的研究以及視頻仿生隱身材料的設計與制備提供參考數據。

關鍵詞：蝴蝶鱗片;結構色;微結構;隱身

中圖分類號：Q811文獻標識碼：A文章編號：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

作為生物界經典結構色之一——蝴蝶的結構色，是生物顯色研究的一個重要分支，多年來得到了物理、材料、生物等不同領域科學家的廣泛關注[1-2]。本文利用光學顯微鏡（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構，借助UG6.0軟件構建了其截面結構模型，利用多層干涉理論解釋了紫色閃光的產生原理。

1 試驗材料及方法

1.1 樣本

樣本（成蟲）[如圖1（a）]采自吉林省左家自然保護區。為保證試驗結果的準確性，選擇樣本點時盡量避開了眼點、脈管等部位，選取樣本中相對完好的純色區域，其尺寸約為5mm×5mm。

1.2 光學顯微鏡

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

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。制樣過程是用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，時間約1.5h，結束后用乙醇梯度脫水，之后進行包埋以及切片制作。

2 結果及討論

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，屋脊狀依次排開，從SEM照片[見圖1（c）]可以看到鱗片上沿縱向分布著平行的溝槽結構，進一步通過TEM照片[見圖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構，截面結構類似塔狀，層數約8層。

借助UG6.0軟件構建了其截面結構模型，如圖2所示。

就其顯色機理來說，是通過多層結構對光線的干涉形成的，多層薄膜反射波長與兩層薄膜的折射率、厚度和折射角有下式關系：

曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片殼質層尺寸約為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，與觀察到的現象一致。

3 結語

曲帶閃蛺蝶紫色閃光鱗片的截面形狀是一種類似塔狀的多層結構，殼質層數為8層左右，每層殼質厚度約77nm，空氣層厚度約92nm，紫色閃光形成機理是多層結構對光線的干涉所致。該研究的意義在于為蝴蝶翅面結構隱形效應的研究以及視頻仿生隱身材料的設計與制備提供參考數據。

參考文獻：

[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.