變色蝴蝶的秘密

五彩斑斕的蝴蝶被喻為花中的精靈，圍繞著她人們還編織了許多美麗感人的傳說.但我們今天的主角并不是這些彩蝶，而是一種分布于中美洲地區(qū)的平?？雌饋聿⒉黄鹧鄣暮稚律裢惖?Pierella luna).月神蛺蝶，蛺蝶科，眼蝶亞科，后翅比一般的蝴蝶大，最大的特點(diǎn)是雄性月神蛺蝶的翅膀在某些特定的角度看去會(huì)呈彩虹似的色散.

這種奇特的光學(xué)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于30年前，月神蛺蝶生活在森林中，平?？偸菞⒂诼錆M枯葉的地面，利用枯褐色的保護(hù)色把自已偽裝成一片枯葉.巴拿馬史密森熱帶研究院的安妮特在1981年最先報(bào)告了月神蛺蝶的這種奇異的光學(xué)現(xiàn)象，她在報(bào)告中說雄性月神蛺蝶會(huì)發(fā)出嫩綠色的光，并認(rèn)為這可以使雌性月神蛺蝶在繁殖季節(jié)找到合適的雄蝶.現(xiàn)在安妮特召集了一個(gè)由比利時(shí)那慕爾大學(xué)的物理學(xué)家組成的研究小組專門對(duì)月神蛺蝶的彩虹色現(xiàn)象進(jìn)行研究.這個(gè)研究小組在2010年8月4日出版的Phiscal Review上發(fā)表論文對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析描述.論文題目為：Reverse color sequence in the diffraction of white light by the wing of the male butterfly Pierella luna (白光在雄性月神蛺蝶翅膀上的逆色序衍射).還有幾種蝴蝶的翅膀也能產(chǎn)生色散現(xiàn)象，科學(xué)家對(duì)此的解釋是：這些蝴蝶的翅膀上有一些以某種規(guī)律排列的細(xì)小凹槽，這些凹槽可以使反射光產(chǎn)生色散，看起來有虹彩的效果.這個(gè)現(xiàn)象類似于光盤表面規(guī)律排列的記錄數(shù)據(jù)的凹槽使光盤從某種角度看來呈虹彩狀.月神蛺蝶的不同之處是，它的色散是逆色序的，這個(gè)逆色序是指觀察角由垂直于翅平面到平行于翅平面變化時(shí)觀察到的反射光由紅到藍(lán)連續(xù)變化.

巴拿馬研究小組在論文中指出，雖然目前并不清楚月神蛺蝶如何進(jìn)化出這種變色的本領(lǐng)，但小組中的昆蟲學(xué)家確信這種光學(xué)現(xiàn)象是繁殖季節(jié)雄蝶用來自我表現(xiàn)的標(biāo)志.小組中的物理學(xué)家認(rèn)為，這種由微觀結(jié)構(gòu)引起的色散現(xiàn)象如果能在實(shí)驗(yàn)室中模擬出來，可能會(huì)在防偽印刷等領(lǐng)域有較大的實(shí)用價(jià)值.

該小組分別在巴拿馬和墨西哥中部兩個(gè)地區(qū)捕捉到一些蝴蝶標(biāo)本，然后展開了一系列實(shí)驗(yàn)，包括宏觀的色散實(shí)驗(yàn)和借助隧道掃描顯微鏡對(duì)雄蝶翅膀微觀結(jié)構(gòu)的分析.本期封面主圖展示的是宏觀色散實(shí)驗(yàn)，在白光的照射下，該小組記錄了觀察角由45°到75°之間連續(xù)變化時(shí)，反射光由綠到藍(lán)的變化過程.封面下面4個(gè)小圖中的3個(gè)展示了在不同尺度下蝴蝶翅膀微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).在100μm圖中可以看到翅膀表面布滿一個(gè)個(gè)細(xì)小的鱗片，10μm圖和1μm圖則展示了在隧道掃描顯微鏡下這細(xì)小鱗片的精細(xì)結(jié)構(gòu)，特別是1μm圖所展示的精細(xì)結(jié)構(gòu)更便于觀察.眾所周知，可見光的波長范圍是390nm～760nm，而綠光到藍(lán)光的波長是在500nm到570nm之間.該研究小組中的物理學(xué)家們認(rèn)為是1μm圖中所觀察到的這些齒孔結(jié)構(gòu)使雄性月神蛺蝶具有的神奇的變色本領(lǐng).

巴拿馬小組認(rèn)為基于微觀結(jié)構(gòu)而不是物質(zhì)本身的染色是自然界中廣泛存在的一種著色方法，為開發(fā)新型著色材料提供了一種新的思路，但構(gòu)造何種微觀結(jié)構(gòu)以得到確定的著色效果有待于進(jìn)一步的研究工作；同時(shí)如何構(gòu)造這類微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)工程技術(shù)人員而言是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn).

對(duì)于這項(xiàng)成果，英國劍橋大學(xué)的生物結(jié)構(gòu)學(xué)家科爾給予了高度評(píng)價(jià)，他認(rèn)為在大自然中有諸多的神奇未知有待于人類去探索，這種基于微觀結(jié)構(gòu)的著色方法很可能在加密印刷領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，人們可以根據(jù)需要來構(gòu)造獨(dú)一無二的微觀結(jié)構(gòu)，從而使商標(biāo)或是紙鈔具有難以復(fù)制、獨(dú)有的光學(xué)效果.

資料來源：美國物理學(xué)會(huì)官方網(wǎng)站、物理世界網(wǎng)站

吳江濱 編譯