Morpho蝶翅结构色的线性液体反应

谢恒峰，邬文俊

（湖北工业大学现代制造质量工程湖北省重点实验室，湖北 武汉430068）

结构色是由物体本身的结构属性决定的［1］。换句话说，这一颜色是由光线通过极为精细的微纳结构而发生复杂的衍射的特性造成的，而不是像色素色那样，是由物体对光的选择性吸收或反射造成的。Radislav描述了Morpho蝶翅的纳米光子结构，并指出这一闪耀的蓝色光泽受到环绕在纳米结构周围的气体环境的强烈影响［2］。基于前人对Morpho蝶翅天然纳米结构的研究，笔者对选择性光学反应作出进一步分析，通过多层薄膜光子模型解释了不同成分介质对液体反应的影响。研究发现，发生这种选择性反应的原因是液体介质在鳞片层脊间形成了多层纳米薄膜，因此通过多层薄膜而受到相长干涉的波长发生了变化；同时研究也进一步发现蝶翅层脊结构的结构色和其液体氛围折射率之间存在一定的线性关系，而这种线性关系对设计纳米光子传感器是至关重要。

1 实验对象与方法

选择一种闪蝶作为研究对象，研究其光学属性和液体反应。如图1所示，Morpho didius拥有高反射比且本身没有颜色。在M.didius蝶翅上可以看到底层鳞片和表层鳞片（图2），底层鳞片上分布着明显的层脊结构（图3），这一层脊结构产生了光亮耀眼的亮蓝色；层脊结构在俯视图中呈平行排列，在截面图中由层脊薄膜和空气薄膜交替组成。层脊相当于一个衍射棚，薄片相当于多层薄膜干涉仪。衍射光和多层薄膜干涉形成了M.didius独特的光学效应［3］。

图1 蝴蝶鳞片结构图

图2 底层鳞片和表层鳞片

（a）俯视结构SEM图

图3 底部鳞片上覆盖的层脊结构

M.didius蝶翅在化学溶液中呈现出选择性反应，结构色和反射比对环绕在层脊结构周围的液体介质十分敏感。为了检测层脊结构发生反应的化学选择性，选取蝶翅上5mm×5mm的区域作为样本，把它放入不同的化学液体中，并在光学显微镜下观察蝶翅表面的颜色变化现象。

图4显示了蝶翅在外形相似、无色透明和相同折射率的甲醇、丙酮、乙醇和丙醇中的变色现象。当周围液体改变时，蝶翅鳞片样本的颜色和亮度都发生了明显变化:空气中蝶翅鳞片样本呈现蓝色光泽，而放在化学试剂中则变成绿色。从甲醇到丙醇，随着折射率的增加（由1.328逐次增加为1.359，1.368，1.378），蝶翅结构色逐渐从鲜绿色转变成黄绿色。

为了进一步检测蝶翅鳞片的化学选择性，将样本放到单独的化学制剂（分别为甲醇，丙酮，乙醇和丙醇）中，并在反光系统（图4）下观察其反射光谱。

图4 反射探头式光学测试系统

图5 是M.didius蝶翅鳞片样本在不同化学液体中的衍射光谱图。发现在不同介质环境中，蝶翅鳞片的颜色和亮度有明显不同，衍射光谱的差异十分明显:沉浸在化学液体中造成反射比下降且波长加长的现象，这与前述所观察到的现象极为相似。当M.didius鳞片放置在空气中时，在蓝光区域的波长为479nm，反射率达到峰值65.23%；在甲醇中，鲜绿色区域反射率下降到16.85%，波长为556nm；在丙酮中，其在绿光区域的波长为561nm，反射率下降到13.51%；在乙醇中，其在绿光区域的波长为564nm，折射率下降到13.82%；而在丙醇中，其在黄绿色区域的折射率骤降到8.77%，波长为568 nm。这表明5种测试液体尽管拥有相似的物理化学属性，其实质却大不相同。由此也可以得出，M.didius鳞片对化学液体的敏感性十分显著，而人工纳米光子传感器却不具有这种光谱选择性。

图5 在不同的化学液体中M.didius鳞片的反射光谱样品

为了区分选择性液体的反应定量，笔者分析了反射光谱与折射率在周围液态中的关系。

图6 反射光谱和折射率在液态环境中的关系

图6 为Morpho蝶翅分别在空气、甲醇、丙酮、乙醇和丙醇的反应，表明蝶翅鳞片反射光谱和周围介质之间的线性关系，这些结果都将启发我们进一步研究选择性的光学效应和周围液态之间的关系，并试图找出造成这一现象的原因［4］。为了做到这一点，需要构建M.didius尺度和周围介质的光学模型，并获得模拟反射光谱，利用严格耦合波分析技术（RCWA）来加以证明 。

2 M.didius尺度和周围介质的光学模型与实验

要弄清楚M.didius的化学液体灵敏度较高的深层原因，需要把真正脊晶纳米结构简化成光学模型。其简化后的模型如图8所示。这种树状层脊结构的复杂光学索引被设置成一个近似的常量值n＝1.55＋0.05i。在整个光学范围内［5］，该模型具有x不变的结构，其中有沿x轴［6］无限周期，本实验以2个周期为例，此模型中光晶具有等腰梯形和脊倾向角度，周围介质被设置成各向同性同源，折射率是唯一在不同的周围介质的变量。

蝶翅浸没在液体溶剂环境中，其完全浸润在蝶翅层脊结构缝隙的液体被模拟为脊晶纳米结构与周围介质折射率的变化，折光率设置成1至1.5，同时步长值设置成0.05。使用RCWA，证明模拟反射光谱如图7所示；在电磁衍射光栅结构中，要获得麦克斯韦方程组的精确解，RCWA是一个相对简单的技术，其因具有良好非迭代性和稳定性，因而可以实现数值的稳定和收敛的结果。

图7 不同反射率介质对应的仿真测试光谱图（镶嵌图所示是其线性关系）

本实验中，模拟仿真、实验现象和反射率光谱测试结果都很好地解释了蝶翅微纳结构的线性液体反应现象:在蝶翅层脊结构之间，因介质折射率的不同而引起反射率光谱以线性变化的方式而变化，并导致了其对化学液体具有很强的敏感性。

3 结果与讨论

从以上研究可知，化学－液体反应敏感性的更深层次原因是多层薄膜干涉和衍射，这种树状层脊的微纳结构和周围介质交替叠加形成了具有不同折射率的多层薄膜材料。

图8 薄膜干涉示意图

周围介质折射率是na，蝶翅脊晶结构的折射率是nb，多层薄膜干涉结构的配置如图8所示，当从薄膜上表面和下表面分别反射出的两路光的光程差为入射光半波长的偶数倍时，发生相长干涉，辐射增强；若光程差为半波长的奇数倍，发生相消干涉，辐射抑制，即将发生破坏性的干扰，因此，可将这种原理应用于抗反射涂层。在多层薄膜结构的干涉关系

其中:na、da、cosγa分别为薄片层的折射率、厚度和折射角；nb、db、cosγb分别为介质层的折射率、厚度和折射角；λ为辐射波波长；m为随机自然数。

对于具有这种树状脊间三维微纳结构的M.didius蝶翅而言，na、da、nb、db、λ都是常量，当入射角设置时，发生相长干涉的波长（结构色）与周围介质的折射率na呈线性变化（表1）。

表1 相长干涉的波长（结构色）与周围介质的折射率变化状况

本文证明了上述M.didius量表的选择性和化 学线性液体反应是由分层和高度有序的脊晶纳米结构产生的，这一结果无疑为学界进一步设计和生产具有这一类似功能的人造纳米结构提供有益借鉴。预计这种脊晶纳米结构可应用于通过直接比色读出与之密切相关的化学制品成分的传感器设计，这种传感器因其较高的灵敏度和选择性将全面优于传统的电气信号，这对于易燃易爆、危险化学品的快速检测而言具有非常广阔的应用前景。

［1］ Onslow H.On a periodic structure in many insect scales and the cause of their iridescent colours［J］.Phil.Trans.，1921，B，211:1-74.

［2］ Potyrailo R A，Ghiradella H，Vertiatchikh A，et al.Morpho butterfly wing scales demonstrate highly se-lective vapor response［J］.Nature Photonics，2007（02）:123-128.

［3］ Lin V S Y，Motesharei K，Dancil K P S，et al.A porous silicon-based optical interferometric biosensor［J］.Science，1997，278:840–843.

［4］ Wu W J，Liao G L，Shi T L，et al..The relationship of selective surrounding response and the nanophotonic structures of Morpho butterfly scales［J］.Microelectronic Engineering，2012，95:42-48.

［5］ Vukusic P，Sambles J R，Lawrence C R.Structural colour:Colour mixing in wing scales of a butterfly［J］.Nature，2000，404:457.

［6］ Hanlon M R，Berrow N S，Dolphin A C，et al.A.Modelling of a voltage-dependent Ca2＋ channel beta subunit as a basis for understanding its functional properties［J］.FEBS Lett.1999，445:366-370.