吉丁虫的结构色机理研究

黄杰敏 叶志刚 杨树

摘 要：吉丁虫体表丰富的金属光泽已被证实是结构色彩。其体表的结构被观测发现有很多孔洞和细纹，可能成为产生机构色的结构基础。本文继续采用扫描电镜观察了吉丁虫的横截面结构，更加深入地探寻了吉丁虫的结构特征。随后采用XPS化学成分分析，明确了不同颜色部位的化学成分是相同的。最后建立了其相应部位的横截面微观结构模型，以进一步明确其结构色形成机理，为仿生结构色的研究奠定了理论基础。

关键词：吉丁虫；横截面；光子晶体；模型

自然界的色彩产生有两种机理，一种是化学色，即颜色是由于色素或颜料产生的；另外一种是物理色或结构色，这种颜色是由于周期性的结构对光线的特殊作用产生的。这种周期性结构对于光线的特殊作用包括光子晶体作用，生物体自身演化形成的结构颜色按其自身结构分为一维、二维和三维光子结构三种。自然界中许多生物的结构色都是由于光子晶体作用产生的，本文采用扫描电子显微镜对吉丁虫的横截面进行了结构观测，并根据横截面的结构特征建立了光子晶体理论模型，同时采用XPS对吉丁虫的表面成分进行了分析。

1.试验样本

本实验所采用的样本为吉丁虫。如图1所示，实验观察的部位为绿色鞘翅和红色尾部。吉丁虫产于马来西亚，属于吉丁科。该昆虫的体长约为28毫米，鞘翅细窄，表面具有铜绿色的金属光泽。其头部和前胸背板均为黄绿色，尾部具有少量红色。

2.SEM观测下吉丁虫的横截面微观结构

图2显示的是SEM观测下吉丁虫的横截面微观结构。其中图2（a）、（b）分别是5000倍、10000倍放大倍数下部位1的结构图。可发现该昆虫翅膀表面为多层膜结构，多层膜的厚度约为1.14μm。光线入射到昆虫翅膀表面，使得其在不同界面发生反射，从而形成多层膜干涉，色泽也就更加明亮艳丽，饱和度高。图2（c）、（d）分别是5000倍、10000倍放大倍数下部位2的结构图。观察部位2，可发现与部位1表面相似，均为多层膜结构，不同的是多层膜的厚度，其多层膜的厚度约为1.67μm。另外，在相同倍数观察下，部位2的薄膜层数比部位1多。多层薄膜结构是广泛存在于自然界生物体中的，它通过控制各层薄膜厚度来对昆虫表面反射进行调制，从而使昆虫表面产生不同的表面颜色。

3.XPS测试

图3显示的是吉丁虫的XPS化学成分分析图，其中曲线1、2分别表示部位1、部位2的XPS测试结果。XPS谱图的横坐标表示电子动能，它直接反映电子能级结构；纵坐标是指相对光电子流强度；谱峰表示原子轨道的结合能。对比1、2两个部位的化学组成成分，可知它们的峰型、峰位基本一致。在峰值上部位1的数值略高于部位2。唯一不同的是，部位1在160eV和230eV处存在两个较小的峰，而在部位2处却没有发现。对于这一现象，可以理解为部位1表面存在蜡质层。蜡质层位于昆虫体表最外层，主要起防止水分蒸发和保护作用，对结构色并无任何影响。因此，可以认定为两个部位的化学成分相同。而这两个部位的外观色彩形貌不同，故可得出结论，结构色与其组成的化学成分无关，间接地证明该吉丁虫的体色源于内部结构。

4.理论模型

得到昆虫的结构色形成机理及其光谱后，我们需要根据所得到的结构形貌构建模型，为结构色加工奠定理论基础。

通过上述分析，我们可得出结论，吉丁虫的部位1、2均为多层膜结构，它是由薄膜上、下表面反射或折射光束相遇而产生的干涉现象。多层膜是由折射率分别为n1，n2的两种材料交替而成的。在吉丁虫中，这两种材料为甲壳素和黑色素，折射率为1.5、2.0。由于其结构的周期性，一般可以将多层膜结构看成一维光子晶体结构。图4（a）、（b）分别为吉丁虫部位1，2的横截面微观结构模型图。可见，各层薄膜不是离散的，但存在分级现象。部位1有12层薄膜，单层膜厚度一致，为95nm。而部位2则有18层薄膜，单层膜厚度为92.8nm。一个周期厚度为d=d1+d2。图4 横截面微观结构模型图

5.结论

吉丁虫是由具有不同折射率的材料交替叠加形成的多层膜结构。利用仿生学原理，可借鉴研究所得的结构模型与参数，尝试利用纳米纤维材料构造人工光子晶体，从而制备出具有结构可调、颜色可变性的新型纳米纤维隐身材料。这将在国防、工业等领域具有广阔的实用前景。

[参考文献]

[1]郭彦丽等.结构色纤维的研究进展[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.生物結构刺激响应光子晶体的研究进展[J].高分子学报，2017，02：229-244.

[4]谢恒峰，邬文俊.Morpho蝶翅结构色的线性液体反应[J].湖北工业大学学报，2015，05：24-27.

[5]蔡波.爬行动物体色的快速变化[J].生物学通报，2014，12：4-6+69.

[6]王金权等.蛋白石、反蛋白石结构光子晶体的制备进展[J].材料导报，2014，17：36-40+52.

[7]王卅等.热带雨林低光植物结构色产生机制及生物学功能研究进展[J].园艺学报，2012，11：2291-2300.