曲带闪蛱蝶鳞片结构色与机理分析

关会英 佟以丹 王晓玲

摘 要：本文从仿生学角度出发，以曲带闪蛱蝶紫色闪光鳞片为研究对象，利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM），研究了蓝色鳞片微观结构以及结构色形成机理。结果表明：曲带闪蛱蝶紫色闪光鳞片的截面形状是一种类似塔状的多层结构，壳质层数为8层左右，每层壳质厚度约77nm，空气层厚度约92nm，紫色闪光形成机理是多层结构对光线的干涉所致。该研究的意义在于为蝴蝶翅面结构隐形效应的研究以及视频仿生隐身材料的设计与制备提供参考数据。

关键词：蝴蝶鳞片;结构色;微结构;隐身

中图分类号：Q811文献标识码：A文章编号：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

作為生物界经典结构色之一——蝴蝶的结构色，是生物显色研究的一个重要分支，多年来得到了物理、材料、生物等不同领域科学家的广泛关注[1-2]。本文利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）表征了曲带闪蛱蝶紫色闪光鳞片微观结构，借助UG6.0软件构建了其截面结构模型，利用多层干涉理论解释了紫色闪光的产生原理。

1 试验材料及方法

1.1 样本

样本（成虫）[如图1（a）]采自吉林省左家自然保护区。为保证试验结果的准确性，选择样本点时尽量避开了眼点、脉管等部位，选取样本中相对完好的纯色区域，其尺寸约为5mm×5mm。

1.2 光学显微镜

文中光学信息的收集是借助光学显微镜观察完成的，所使用的是OLYMPUS SZX12研究级体视显微镜。

1.3 扫描电子显微镜

文中采用的扫描电镜是JEOL JXA-840型扫描电子显微镜，制样过程是先将样本用3%戊二醛溶液固定，之后用乙醚浸泡脱脂10min，取出后用乙醇系列脱水，乙醇浓度分别是40%、50%、70%、100%，每个阶段各浸泡10min，自然干燥后采用双面胶粘合，样本镀金厚度为15～20nm。

1.4 透射电子显微镜

文中采用的是JEM-12000EX型透射电子显微镜和LKB-Ⅲ型超薄切片机。制样过程是用4%的戊二醛溶液固定样本2h，磷酸缓冲液缓冲1.5h，之后采用1%的锇酸固定，时间约1.5h，结束后用乙醇梯度脱水，之后进行包埋以及切片制作。

2 结果及讨论

如图1（b）所示，曲带闪蛱蝶紫色闪光鳞片顶端外缘呈椭圆形，鳞片排列紧密，屋脊状依次排开，从SEM照片[见图1（c）]可以看到鳞片上沿纵向分布着平行的沟槽结构，进一步通过TEM照片[见图1（d）]，曲带闪蛱蝶紫色闪光鳞片的截面形状也是一种多层结构，截面结构类似塔状，层数约8层。

借助UG6.0软件构建了其截面结构模型，如图2所示。

就其显色机理来说，是通过多层结构对光线的干涉形成的，多层薄膜反射波长与两层薄膜的折射率、厚度和折射角有下式关系：

曲带闪蛱蝶紫色闪光鳞片壳质层尺寸约为77nm，空气层的尺寸约为92nm，代入式（1）得[λ]=425.78nm。

425nm正是落在了紫光的范围内，与观察到的现象一致。

3 结语

曲带闪蛱蝶紫色闪光鳞片的截面形状是一种类似塔状的多层结构，壳质层数为8层左右，每层壳质厚度约77nm，空气层厚度约92nm，紫色闪光形成机理是多层结构对光线的干涉所致。该研究的意义在于为蝴蝶翅面结构隐形效应的研究以及视频仿生隐身材料的设计与制备提供参考数据。

参考文献：

[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.