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动物行使自身组织上的纳米结构变换光影来赋予自己“结构色”。新的研究正逐步展现这华美色彩背后的隐秘。

和许多动物一样,东南亚的蓝翅叶鹎斑斓闪灼的色彩也是一种结构色。结构色源于一种具有纳米级结构特征的质料,能够衍射和反射特定波长的光

动物王国中有许多具有魅力色彩的住民:孔雀、豹变色龙、五彩金刚鹦鹉、小丑鱼、巨嘴鸟、蓝圈章鱼等等。但在许多情形下,相比于这些结构色若何发生的,科学家更领会动物若何使用颜色。随着研究的深入,这些隐秘被逐步揭开:华美的色彩泉源于羽毛、鳞片、头发和皮肤上细小结构,神奇的是这些结构是十分准确地自组装起来的――这激起了软物质物理学家和光子学工程师粘稠的兴趣。

自然界中,稀奇是在植物王国中的许多颜色,都是由色素发生的,色素反射光谱中部门波长的光,同时吸收其余波长的光。像叶绿素这样的绿色色素会反射光谱的绿色部门,吸收波长较长的红色和黄色光以及波长较短的蓝色光。哪些特定波长被反射或吸收,取决于色素的分子组成和分子结构中原子之间的准确距离。

由于植物是生物化学合成的大师,它们的细胞可以调制多种色素;但一样平常来说,动物已经失去了制造大部门色素的代谢途径。玄色素是动物体内的主要色素,它的颜色相当有限:要么是棕色(真玄色素),要么是红黄色(类玄色素)。为了装饰和伪装自己、求偶以及抵御捕食者,动物需要加倍厚实的颜色。动物通常可以从饮食中获得所需的色素,例如鸟类鲜艳的红色和黄色主要来自食物中的类胡萝卜素。

然而,光谱的蓝色端则对照棘手,由于自然界中很少有蓝色色素可供食用。然而,冠蓝鸦、霓虹灯鱼、箭毒蛙和许多其他动物找到了一种不依赖色素的设施,它们进化出了展现蓝色(和一些绿色)的光学技巧――制造出所谓的结构色

结构色就像滤光片,只允许一些波长通过。每个物种的机制都不尽相同,但它们的事情原理都是由于质料中的纳米结构的尺度与光的波长相当。这些结构对差异颜色的光举行衍射和过问,从而发生怪异的色彩效果。

耶鲁大学的鸟类羽毛着色专家Richard Prum注释说:“许多细小结构能够散射光线,然后使这些散射光相互作用――这种相互作用会增强某些颜色并消除其他颜色。”

蓝闪蝶(上)令人惊艳的蓝色虹彩是由于它同党鳞片(下)的结构在吸收光谱其他部门的同时衍射和反射蓝光

麻省理工学院的Mathias Kolle的研究偏向是受生物启发的光学质料。他注释说,这种结构化的着色方式优点在于顺应性很强:“不管用什么质料制作,只要它是透明的就可以。”

结构色也经常有闪闪发光的虹彩效果,十分吸引人。由于从结构颜色层顶部反射的光会与从底部反射的光差异步,以是当从差其余角度旁观时,颜色看起来会变亮或色度发生改变。好比说,这种效果在蓝闪蝶身上就异常显著。蓝闪蝶同党的鳞片上镌刻着细小的凹槽,这些凹槽排列着树状突起,这些突起对光波举行衍射或反射,使它们相互过问,从而展现出蓝色虹彩。

在2015年的一项研究中,Kolle和他的同事讲述了他们发现的一种软体动物――青线笠螺,是若何在壳上发生怪异的亮蓝色条纹的。贝壳中的透明碳酸钙晶体层排列成多个细小的薄片,每一片衍射并反射一线光。凭证每一层的厚度和光的波长,光波衍射相长或相消。行使合适的的层厚(100纳米),贝壳的微结构只保留了蓝色,其余所有波长都通过过问相互消除了。

青线笠螺上怪异的蓝色条纹(上)从贝壳外面层状排列的透明碳酸钙晶体薄片(下)反射出来

其他动物的结构色行使类似的征象。例如,章鱼和其他头足类动物皮肤上某些染色质细胞中,含有一层反射卵白,这种卵白可以迅速从有序状态转变为无序状态。通过加厚和减薄这些卵白层,动物就能够反射差其余波长并改变它们向外界展示的颜色。

不外,与章鱼差其余是,帽贝在被放下后,便无法改变它反射层的形状。帽贝若何准确构建层状结构依旧是一个谜。“它背后的质料动力学令人神魂颠倒,思而不得,”Kolle说道。但在Prum的事情中,耶鲁- 新加坡国立大学的Vinod Saranathan和其他人在探讨一些鸟类若何在明亮的蓝色羽毛背后发生结构颜色的历程中取得了希望:这是一个相星散(phase separation)的历程。

高倍镜下,羽毛的彩色倒刺(细丝)呈泡沫状结构,细小平均的空气球漫衍在β-角卵白中。每个气泡散射的光与相邻气泡散射的光相互作用。“由于它们的尺寸正好合适,以是它们会酿成蓝色,或者是绿松石色,或者是紫外线色,”Prum说道。

研究解释,在发育中的鸟类羽毛的细胞内,β-角卵白早先漫衍在含水的细胞质中。细胞中的化学转变导致β-角卵白和水自觉星散,在聚合卵白质基质中形成球形水滴。细胞殒命后,水分蒸发,留下一个细小的气泡球泡,恰好适合反射特定波长的光线

Prum把这个历程比作打开一瓶啤酒。“你举行迅速的冷凝,消融的二氧化碳形成一个气泡,气泡会膨胀到一定的巨细,就会漂浮起来,这器械看起来就像一瓶啤酒顶部的泡沫。”

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在冠蓝鸦和大多数其他鸟类的蓝色羽毛中,这些气泡是无序的。但至少有一种鸟类――东南亚的蓝翅叶鹎是从排列整齐的泡状晶体中获得肩部羽毛的蓝色光泽,正如Saranathan,、Prum和他们的同事在6月8日的《美国国家科学院院刊》上揭晓的讲述中提到的那样。研究职员在阿贡国家实验室将蓝翅叶鹎羽毛放在强X射线束线下研究,发现了这些螺旋二十四周体(gyroid)晶体

螺旋二十四周体是一个延续的极小曲面,显示出高度周期性的结构,在某种意义上与球体是相反的:球体具有平均的正曲率,而螺旋二十四周体是具有平均的负曲率的鞍形物体。它的一个特点是,将空间支解成两个迷宫式的通道,由一层薄膜离隔,相互成完善的镜像关系。当两组通道都充满了活细胞内的液体时,这种结构被称为双螺旋二十四周体(double gyroid);当只有一组通道被填满时,称为单螺旋二十四周体(single gyroid)。

蓝翅叶鹎鸟羽毛中周期性排列的纳米尺寸的气泡(上)是由羽毛倒刺内螺旋二十四周体结构(下)的自组织生长发生的

蓝翅叶鹎的单螺旋二十四周体晶体显示出与帽贝反射卵白层相同的光学特征。”瑞士弗里堡 Adolphe Merkle 研究所的软物质物理学家 Bodo Wilts注释说:“它具有折射率的局部周期性转变”,或者差异光散射质料的周期性排列。

Saranathan、Prum和他们的同事在2010年的讲述中提到,以前只在一些蝴蝶鳞片上看到过自然界中的单螺旋二十四周体。Gerd Schr der-Turk在澳大利亚莫道克大学研究生物光子质料,他和同事们已经证实,当这些鳞片正在发育时,鳞片细胞中的内质网膜毗邻成一片,形成了双螺旋二十四周体,薄膜的两侧都是液体。然后其中一个通道填充几丁质并固化。当细胞殒命时,便留下了单螺旋二十四周体。

研究职员以为,这种模具成型历程是自然界中形成单螺旋二十四周体的唯一途径。相反,有证据解释,蓝翅叶鹎制造螺旋二十四周体的方式与其近亲――冠蓝鸦制造无序球泡的方式相同:通过相星散的方式。然而,Saranathan和Prum以为,这基于软物质物理学现有理论并无法展望。

这一发现解释,螺旋二十四周体这样的晶体可以自行组装,这对寻找更好的方式制造光子应用质料的工程师来说是一个极大的鼓舞。例如,为了更有用地传输蓝光,可以用蓝翅叶鹎身上发现的那种蓝色反射质料来制作光纤的包层,这样就不会有蓝色光子逃逸。

Prum说:“现在所有的光纤都是用费时艰辛的周详工程制作的,而鸟类用的是自组装。”破解自组装光子器件的机制“将大大节约成本。”

Kolle示意赞许。在去年的《自然-光子学》杂志上,他和他的团队报道了一种经由改良的暗场成像显微方式,这种方式运用了一种受凤蝶同党鳞片启发的特殊质料。现在,他正在和一名学生一起考察小红蛱蝶同党鳞片上的纳米级凹槽是若何镌刻出来的。

明白这一物种的进化历程应该能破解大多数蝴蝶鳞片结构的隐秘。“我希望存在这样的生物力学原理……能够让我们在一个完全差其余质料系统中制造这些特殊质料,”他说。

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