吉丁蟲的結構色機理研究

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構色彩。其體表的結構被觀測發(fā)現(xiàn)有很多孔洞和細紋，可能成為產(chǎn)生機構色的結構基礎。本文繼續(xù)采用掃描電鏡觀察了吉丁蟲的橫截面結構，更加深入地探尋了吉丁蟲的結構特征。隨后采用XPS化學成分分析，明確了不同顏色部位的化學成分是相同的。最后建立了其相應部位的橫截面微觀結構模型，以進一步明確其結構色形成機理，為仿生結構色的研究奠定了理論基礎。

關鍵詞：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構色，這種顏色是由于周期性的結構對光線的特殊作用產(chǎn)生的。這種周期性結構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構顏色按其自身結構分為一維、二維和三維光子結構三種。自然界中許多生物的結構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構觀測，并根據(jù)橫截面的結構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構

圖2顯示的是SEM觀測下吉丁蟲的橫截面微觀結構。其中圖2（a）、（b）分別是5000倍、10000倍放大倍數(shù)下部位1的結構圖?？砂l(fā)現(xiàn)該昆蟲翅膀表面為多層膜結構，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的結構圖。觀察部位2，可發(fā)現(xiàn)與部位1表面相似，均為多層膜結構，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。多層薄膜結構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測試結果。XPS譜圖的橫坐標表示電子動能，它直接反映電子能級結構；縱坐標是指相對光電子流強度；譜峰表示原子軌道的結合能。對比1、2兩個部位的化學組成成分，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表面存在蠟質層。蠟質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，對結構色并無任何影響。因此，可以認定為兩個部位的化學成分相同。而這兩個部位的外觀色彩形貌不同，故可得出結論，結構色與其組成的化學成分無關，間接地證明該吉丁蟲的體色源于內部結構。

4.理論模型

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

通過上述分析，我們可得出結論，吉丁蟲的部位1、2均為多層膜結構，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。由于其結構的周期性，一般可以將多層膜結構看成一維光子晶體結構。圖4（a）、（b）分別為吉丁蟲部位1，2的橫截面微觀結構模型圖。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 橫截面微觀結構模型圖

5.結論

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構。利用仿生學原理，可借鑒研究所得的結構模型與參數(shù)，嘗試利用納米纖維材料構造人工光子晶體，從而制備出具有結構可調、顏色可變性的新型納米纖維隱身材料。這將在國防、工業(yè)等領域具有廣闊的實用前景。

[參考文獻]

[1]郭彥麗等.結構色纖維的研究進展[J].印染，2016，14：47-50.[2]Sun J，Bhushan B，Tong J.RSC Adv，2013，3（35）：14862-14889.

[3]朱申敏等.生物結構刺激響應光子晶體的研究進展[J].高分子學報，2017，02：229-244.

[4]謝恒峰，鄔文俊.Morpho蝶翅結構色的線性液體反應[J].湖北工業(yè)大學學報，2015，05：24-27.

[5]蔡波.爬行動物體色的快速變化[J].生物學通報，2014，12：4-6+69.

[6]王金權等.蛋白石、反蛋白石結構光子晶體的制備進展[J].材料導報，2014，17：36-40+52.

[7]王卅等.熱帶雨林低光植物結構色產(chǎn)生機制及生物學功能研究進展[J].園藝學報，2012，11：2291-2300.