Morpho蝶翅結構色的線性液體反應

謝恒峰，鄔文俊

（湖北工業大學現代制造質量工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢430068）

結構色是由物體本身的結構屬性決定的［1］。換句話說，這一顏色是由光線通過極為精細的微納結構而發生復雜的衍射的特性造成的，而不是像色素色那樣，是由物體對光的選擇性吸收或反射造成的。Radislav描述了Morpho蝶翅的納米光子結構，并指出這一閃耀的藍色光澤受到環繞在納米結構周圍的氣體環境的強烈影響［2］?；谇叭藢orpho蝶翅天然納米結構的研究，筆者對選擇性光學反應作出進一步分析，通過多層薄膜光子模型解釋了不同成分介質對液體反應的影響。研究發現，發生這種選擇性反應的原因是液體介質在鱗片層脊間形成了多層納米薄膜，因此通過多層薄膜而受到相長干涉的波長發生了變化；同時研究也進一步發現蝶翅層脊結構的結構色和其液體氛圍折射率之間存在一定的線性關系，而這種線性關系對設計納米光子傳感器是至關重要。

1 實驗對象與方法

選擇一種閃蝶作為研究對象，研究其光學屬性和液體反應。如圖1所示，Morpho didius擁有高反射比且本身沒有顏色。在M.didius蝶翅上可以看到底層鱗片和表層鱗片（圖2），底層鱗片上分布著明顯的層脊結構（圖3），這一層脊結構產生了光亮耀眼的亮藍色；層脊結構在俯視圖中呈平行排列，在截面圖中由層脊薄膜和空氣薄膜交替組成。層脊相當于一個衍射棚，薄片相當于多層薄膜干涉儀。衍射光和多層薄膜干涉形成了M.didius獨特的光學效應［3］。

圖1 蝴蝶鱗片結構圖

圖2 底層鱗片和表層鱗片

（a）俯視結構SEM圖

圖3 底部鱗片上覆蓋的層脊結構

M.didius蝶翅在化學溶液中呈現出選擇性反應，結構色和反射比對環繞在層脊結構周圍的液體介質十分敏感。為了檢測層脊結構發生反應的化學選擇性，選取蝶翅上5mm×5mm的區域作為樣本，把它放入不同的化學液體中，并在光學顯微鏡下觀察蝶翅表面的顏色變化現象。

圖4顯示了蝶翅在外形相似、無色透明和相同折射率的甲醇、丙酮、乙醇和丙醇中的變色現象。當周圍液體改變時，蝶翅鱗片樣本的顏色和亮度都發生了明顯變化:空氣中蝶翅鱗片樣本呈現藍色光澤，而放在化學試劑中則變成綠色。從甲醇到丙醇，隨著折射率的增加（由1.328逐次增加為1.359，1.368，1.378），蝶翅結構色逐漸從鮮綠色轉變成黃綠色。

為了進一步檢測蝶翅鱗片的化學選擇性，將樣本放到單獨的化學制劑（分別為甲醇，丙酮，乙醇和丙醇）中，并在反光系統（圖4）下觀察其反射光譜。

圖4 反射探頭式光學測試系統

圖5 是M.didius蝶翅鱗片樣本在不同化學液體中的衍射光譜圖。發現在不同介質環境中，蝶翅鱗片的顏色和亮度有明顯不同，衍射光譜的差異十分明顯:沉浸在化學液體中造成反射比下降且波長加長的現象，這與前述所觀察到的現象極為相似。當M.didius鱗片放置在空氣中時，在藍光區域的波長為479nm，反射率達到峰值65.23%；在甲醇中，鮮綠色區域反射率下降到16.85%，波長為556nm；在丙酮中，其在綠光區域的波長為561nm，反射率下降到13.51%；在乙醇中，其在綠光區域的波長為564nm，折射率下降到13.82%；而在丙醇中，其在黃綠色區域的折射率驟降到8.77%，波長為568 nm。這表明5種測試液體盡管擁有相似的物理化學屬性，其實質卻大不相同。由此也可以得出，M.didius鱗片對化學液體的敏感性十分顯著，而人工納米光子傳感器卻不具有這種光譜選擇性。

圖5 在不同的化學液體中M.didius鱗片的反射光譜樣品

為了區分選擇性液體的反應定量，筆者分析了反射光譜與折射率在周圍液態中的關系。

圖6 反射光譜和折射率在液態環境中的關系

圖6 為Morpho蝶翅分別在空氣、甲醇、丙酮、乙醇和丙醇的反應，表明蝶翅鱗片反射光譜和周圍介質之間的線性關系，這些結果都將啟發我們進一步研究選擇性的光學效應和周圍液態之間的關系，并試圖找出造成這一現象的原因［4］。為了做到這一點，需要構建M.didius尺度和周圍介質的光學模型，并獲得模擬反射光譜，利用嚴格耦合波分析技術（RCWA）來加以證明 。

2 M.didius尺度和周圍介質的光學模型與實驗

要弄清楚M.didius的化學液體靈敏度較高的深層原因，需要把真正脊晶納米結構簡化成光學模型。其簡化后的模型如圖8所示。這種樹狀層脊結構的復雜光學索引被設置成一個近似的常量值n＝1.55＋0.05i。在整個光學范圍內［5］，該模型具有x不變的結構，其中有沿x軸［6］無限周期，本實驗以2個周期為例，此模型中光晶具有等腰梯形和脊傾向角度，周圍介質被設置成各向同性同源，折射率是唯一在不同的周圍介質的變量。

蝶翅浸沒在液體溶劑環境中，其完全浸潤在蝶翅層脊結構縫隙的液體被模擬為脊晶納米結構與周圍介質折射率的變化，折光率設置成1至1.5，同時步長值設置成0.05。使用RCWA，證明模擬反射光譜如圖7所示；在電磁衍射光柵結構中，要獲得麥克斯韋方程組的精確解，RCWA是一個相對簡單的技術，其因具有良好非迭代性和穩定性，因而可以實現數值的穩定和收斂的結果。

圖7 不同反射率介質對應的仿真測試光譜圖（鑲嵌圖所示是其線性關系）

本實驗中，模擬仿真、實驗現象和反射率光譜測試結果都很好地解釋了蝶翅微納結構的線性液體反應現象:在蝶翅層脊結構之間，因介質折射率的不同而引起反射率光譜以線性變化的方式而變化，并導致了其對化學液體具有很強的敏感性。

3 結果與討論

從以上研究可知，化學－液體反應敏感性的更深層次原因是多層薄膜干涉和衍射，這種樹狀層脊的微納結構和周圍介質交替疊加形成了具有不同折射率的多層薄膜材料。

圖8 薄膜干涉示意圖

周圍介質折射率是na，蝶翅脊晶結構的折射率是nb，多層薄膜干涉結構的配置如圖8所示，當從薄膜上表面和下表面分別反射出的兩路光的光程差為入射光半波長的偶數倍時，發生相長干涉，輻射增強；若光程差為半波長的奇數倍，發生相消干涉，輻射抑制，即將發生破壞性的干擾，因此，可將這種原理應用于抗反射涂層。在多層薄膜結構的干涉關系

其中:na、da、cosγa分別為薄片層的折射率、厚度和折射角；nb、db、cosγb分別為介質層的折射率、厚度和折射角；λ為輻射波波長；m為隨機自然數。

對于具有這種樹狀脊間三維微納結構的M.didius蝶翅而言，na、da、nb、db、λ都是常量，當入射角設置時，發生相長干涉的波長（結構色）與周圍介質的折射率na呈線性變化（表1）。

表1 相長干涉的波長（結構色）與周圍介質的折射率變化狀況

本文證明了上述M.didius量表的選擇性和化 學線性液體反應是由分層和高度有序的脊晶納米結構產生的，這一結果無疑為學界進一步設計和生產具有這一類似功能的人造納米結構提供有益借鑒。預計這種脊晶納米結構可應用于通過直接比色讀出與之密切相關的化學制品成分的傳感器設計，這種傳感器因其較高的靈敏度和選擇性將全面優于傳統的電氣信號，這對于易燃易爆、危險化學品的快速檢測而言具有非常廣闊的應用前景。

［1］ Onslow H.On a periodic structure in many insect scales and the cause of their iridescent colours［J］.Phil.Trans.，1921，B，211:1-74.

［2］ Potyrailo R A，Ghiradella H，Vertiatchikh A，et al.Morpho butterfly wing scales demonstrate highly se-lective vapor response［J］.Nature Photonics，2007（02）:123-128.

［3］ Lin V S Y，Motesharei K，Dancil K P S，et al.A porous silicon-based optical interferometric biosensor［J］.Science，1997，278:840–843.

［4］ Wu W J，Liao G L，Shi T L，et al..The relationship of selective surrounding response and the nanophotonic structures of Morpho butterfly scales［J］.Microelectronic Engineering，2012，95:42-48.

［5］ Vukusic P，Sambles J R，Lawrence C R.Structural colour:Colour mixing in wing scales of a butterfly［J］.Nature，2000，404:457.

［6］ Hanlon M R，Berrow N S，Dolphin A C，et al.A.Modelling of a voltage-dependent Ca2＋ channel beta subunit as a basis for understanding its functional properties［J］.FEBS Lett.1999，445:366-370.