吉丁蟲的結(jié)構(gòu)色機理研究

黃杰敏 葉志剛 楊樹

摘 要：吉丁蟲體表豐富的金屬光澤已被證實是結(jié)構(gòu)色彩。其體表的結(jié)構(gòu)被觀測發(fā)現(xiàn)有很多孔洞和細紋，可能成為產(chǎn)生機構(gòu)色的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。本文繼續(xù)采用掃描電鏡觀察了吉丁蟲的橫截面結(jié)構(gòu)，更加深入地探尋了吉丁蟲的結(jié)構(gòu)特征。隨后采用XPS化學(xué)成分分析，明確了不同顏色部位的化學(xué)成分是相同的。最后建立了其相應(yīng)部位的橫截面微觀結(jié)構(gòu)模型，以進一步明確其結(jié)構(gòu)色形成機理，為仿生結(jié)構(gòu)色的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：吉丁蟲；橫截面；光子晶體；模型

自然界的色彩產(chǎn)生有兩種機理，一種是化學(xué)色，即顏色是由于色素或顏料產(chǎn)生的；另外一種是物理色或結(jié)構(gòu)色，這種顏色是由于周期性的結(jié)構(gòu)對光線的特殊作用產(chǎn)生的。這種周期性結(jié)構(gòu)對于光線的特殊作用包括光子晶體作用，生物體自身演化形成的結(jié)構(gòu)顏色按其自身結(jié)構(gòu)分為一維、二維和三維光子結(jié)構(gòu)三種。自然界中許多生物的結(jié)構(gòu)色都是由于光子晶體作用產(chǎn)生的，本文采用掃描電子顯微鏡對吉丁蟲的橫截面進行了結(jié)構(gòu)觀測，并根據(jù)橫截面的結(jié)構(gòu)特征建立了光子晶體理論模型，同時采用XPS對吉丁蟲的表面成分進行了分析。

1.試驗樣本

本實驗所采用的樣本為吉丁蟲。如圖1所示，實驗觀察的部位為綠色鞘翅和紅色尾部。吉丁蟲產(chǎn)于馬來西亞，屬于吉丁科。該昆蟲的體長約為28毫米，鞘翅細窄，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.SEM觀測下吉丁蟲的橫截面微觀結(jié)構(gòu)

圖2顯示的是SEM觀測下吉丁蟲的橫截面微觀結(jié)構(gòu)。其中圖2（a）、（b）分別是5000倍、10000倍放大倍數(shù)下部位1的結(jié)構(gòu)圖。可發(fā)現(xiàn)該昆蟲翅膀表面為多層膜結(jié)構(gòu)，多層膜的厚度約為1.14μm。光線入射到昆蟲翅膀表面，使得其在不同界面發(fā)生反射，從而形成多層膜干涉，色澤也就更加明亮艷麗，飽和度高。圖2（c）、（d）分別是5000倍、10000倍放大倍數(shù)下部位2的結(jié)構(gòu)圖。觀察部位2，可發(fā)現(xiàn)與部位1表面相似，均為多層膜結(jié)構(gòu)，不同的是多層膜的厚度，其多層膜的厚度約為1.67μm。另外，在相同倍數(shù)觀察下，部位2的薄膜層數(shù)比部位1多。多層薄膜結(jié)構(gòu)是廣泛存在于自然界生物體中的，它通過控制各層薄膜厚度來對昆蟲表面反射進行調(diào)制，從而使昆蟲表面產(chǎn)生不同的表面顏色。

3.XPS測試

圖3顯示的是吉丁蟲的XPS化學(xué)成分分析圖，其中曲線1、2分別表示部位1、部位2的XPS測試結(jié)果。XPS譜圖的橫坐標(biāo)表示電子動能，它直接反映電子能級結(jié)構(gòu)；縱坐標(biāo)是指相對光電子流強度；譜峰表示原子軌道的結(jié)合能。對比1、2兩個部位的化學(xué)組成成分，可知它們的峰型、峰位基本一致。在峰值上部位1的數(shù)值略高于部位2。唯一不同的是，部位1在160eV和230eV處存在兩個較小的峰，而在部位2處卻沒有發(fā)現(xiàn)。對于這一現(xiàn)象，可以理解為部位1表面存在蠟質(zhì)層。蠟質(zhì)層位于昆蟲體表最外層，主要起防止水分蒸發(fā)和保護作用，對結(jié)構(gòu)色并無任何影響。因此，可以認定為兩個部位的化學(xué)成分相同。而這兩個部位的外觀色彩形貌不同，故可得出結(jié)論，結(jié)構(gòu)色與其組成的化學(xué)成分無關(guān)，間接地證明該吉丁蟲的體色源于內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

4.理論模型

得到昆蟲的結(jié)構(gòu)色形成機理及其光譜后，我們需要根據(jù)所得到的結(jié)構(gòu)形貌構(gòu)建模型，為結(jié)構(gòu)色加工奠定理論基礎(chǔ)。

通過上述分析，我們可得出結(jié)論，吉丁蟲的部位1、2均為多層膜結(jié)構(gòu)，它是由薄膜上、下表面反射或折射光束相遇而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。多層膜是由折射率分別為n1，n2的兩種材料交替而成的。在吉丁蟲中，這兩種材料為甲殼素和黑色素，折射率為1.5、2.0。由于其結(jié)構(gòu)的周期性，一般可以將多層膜結(jié)構(gòu)看成一維光子晶體結(jié)構(gòu)。圖4（a）、（b）分別為吉丁蟲部位1，2的橫截面微觀結(jié)構(gòu)模型圖。可見，各層薄膜不是離散的，但存在分級現(xiàn)象。部位1有12層薄膜，單層膜厚度一致，為95nm。而部位2則有18層薄膜，單層膜厚度為92.8nm。一個周期厚度為d=d1+d2。圖4 橫截面微觀結(jié)構(gòu)模型圖

5.結(jié)論

吉丁蟲是由具有不同折射率的材料交替疊加形成的多層膜結(jié)構(gòu)。利用仿生學(xué)原理，可借鑒研究所得的結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)，嘗試?yán)眉{米纖維材料構(gòu)造人工光子晶體，從而制備出具有結(jié)構(gòu)可調(diào)、顏色可變性的新型納米纖維隱身材料。這將在國防、工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的實用前景。

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