绿带翠凤蝶中的一维光子晶体结构研究

关会英 佟以丹 王晓玲

摘 要：本文从仿生学角度出发，以绿带翠凤蝶蓝色鳞片为研究对象，借助扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、反射光谱等分析工具，表征了绿带翠凤蝶蓝色鳞片微观结构，并在此基础上探讨了其结构色形成机理。结果表明：蓝色鳞片截面微结构是一种由壳质与空气交替组成的层结构，壳质层数为8层左右，该结构具有一维光子晶体结构特征，存在474～500 nm的带隙;显色机理是光子带隙结构对光的调制作用。该研究可为视频仿生隐身材料的设计与制备提供新思路和参考数据。

关键词：蝴蝶鳞片;结构色;微结构;光子晶体

中图分类号：TB17文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）34-0073-03

One-dimensional Photonic Crystal Structure in Papilio Maackii Scales

GUAN Huiying TONG Yidan WANG Xiaoling

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022）

Abstract： From the perspective of biomimetics， Papilio maackii Menerries were chosen as samples， the microstructure and mechanism of structural color were studied by means of Scanning electron microscope （SEM）， Transmission electron microscope （TEM） and Reflection spectrum. The results show that the blue scale cross-section microstructure is a layer structure composed of shell and air alternately. The shell layer number is about 8. The structure has the characteristics of one-dimensional photonic crystal structure， with a band gap of 474-500 nm; the color development mechanism is the modulation of light by the photonic band gap structure. The research can provide new ideas and reference data for the design and preparation of video bionic stealth materials.

Keywords： butterfly scales;structural color;microstructure;photonic crystal

蝴蝶的结构色是生物界经典结构色之一，一直以来备受生物、物理、材料、仿生等诸多领域研究人员的关注。无论是其形成机理[1-6]、分类[7]、与色素色的关系[8]，还是仿生模型的制备[5-7，9]，都有相关文献报道。本文在排除色素影响的基础上[10]，观察了绿带翠凤蝶蓝色鳞片的微观结构，应用光子晶体理论解释了蓝色的产生，证实了其蓝色鳞片多层结构是一种一维光子晶体结构，并利用光子晶体反射率计算程序TransLight软件模拟了其反射光谱。

1 试验材料及方法

1.1 试验样本

绿带翠凤蝶（成虫）活体采自吉林省吉林市左家自然保护区。制作试验样本时，避开了其翅面眼点、脉管等部位，保留相对完好的纯色区域，样本尺寸约为4 mm×4 mm。

1.2 光学显微镜（Optical Microscopy，OM）

借助OLYMPUS SZX12研究级体视显微镜完成对样本结构色的观察取样。

1.3 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）

借助JEOL JXA-840型扫描电子显微镜观察样本鳞片表面微观结构。样品制作过程是先利用3%浓度的戊二醛溶液固定，之后在乙醚中浸泡脱脂约10 min，取出后在浓度分别为40%、50%、70%、100%的乙醇溶液中进行梯度脱水，各个浓度都浸泡约10 min，自然风干，双面胶粘台，喷金厚度为15～20 nm。

1.4 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）

透射電子显微镜以及切片机采用的型号分别是JEM-12000EX型和LKB-Ⅲ型。其样本制作过程是首先用浓度为4%的戊二醛溶液固定，时间约2 h，再用磷酸缓冲液缓冲1.5 h，之后采用1%的锇酸后固定约1.5 h，完成后利用乙醇梯度脱水，最后进行包埋以及切片制作。

1.5 反射光谱

采用北京普析通用仪器有限责任公司生产的TU-1901紫外可见分光光度计以及积分球附件。

2 结果及讨论

在光学显微镜下（OM），绿带翠凤蝶蓝色鳞片致密而有序地排列，沿同一方向倒伏状平铺在基质表面。鳞片各排之间首尾搭接，类似屋顶上的瓦片，部分相邻鳞片也有左右重叠部分。单个鳞片的长度方向尺寸约200 nm，形状似盾牌形，顶端平直。鳞片呈亮蓝色，反光强烈，泛明显金属光泽，有显著的结构色特征。

图1和图2分别是绿带翠凤蝶蓝色鳞片的SEM照片和TEM照片。从图1可知：鳞片表面的微观结构特点是生物组织构成的条状物沿着鳞片的倒伏方向平行排列，贯穿整个鳞片，这里称为脊线，脊线间距约4 μm。脊线之间沿鳞片倒伏方向是一種波浪状结构，且“波浪”结构表面相对光滑，“波峰”间近似平行，被称为肋线。肋线之间距离不等，但尺寸都在3.3～3.5 μm。图2为TEM结果，从图2可知，鳞片截面结构特点是多层结构，由壳质与空气交替组成，壳质层数约为8层，每层壳质厚度约为0.118 μm，空气层厚度约为0.047 μm，脊线的截面无特殊结构。很明显，这种层结构具有一维光子晶体结构特征[11]。

基于对绿带翠凤蝶蓝色鳞片微结构的观察分析，研究者建立了如图3所示结构模型。

应用光子晶体相关计算公式，光子带隙即反射峰位置可由调整过的Snell公式给出[12]：

[λ=2d（n2eff-sin2θ）12]              （1）

式中，[λ]是光在真空中的波长;[d]为晶格常数，即面间距;[θ]为入射角;[neff]为有效折射率，由不同组成材料的相对折射率决定，其计算公式为：

[n2eff=n21f1+n22（1-f1）]                        （2）

式中，[n1]和[n2]分别为介质1和2的折射率;[f1]为介质1的填充率。代入数值得反射峰位置在472.2 nm，与反射光谱结果基本吻合[见图4（a）]。图中峰值出现在474 nm。

利用光子晶体反射率计算程序TransLight软件进行光谱模拟，得到了如图4（b）所示的理论反射光谱形状，峰值出现位置基本一致，但理论模拟得到的禁带宽度比试验得到的要窄，影响禁带宽度的主要因素是壳质层与空气层尺寸，因其周期尺寸不是十分严格，再加上仪器的测量误差使实测峰值和理论峰值之间有一定差距，从而使试验结果和理论模拟存在一定差值。

3 结论

绿带翠凤蝶蓝色鳞片截面微结构是一种由壳质与空气交替组成的层结构，壳质层数为8层左右，每层壳质厚度约为0.118 μm，空气层厚度约为0.047 μm，证实了该结构是一维光子晶体结构，存在474～500 nm的带隙，这也是使鳞片呈现蓝色闪光的原因。该研究可为视频仿生隐身材料的设计与制备提供新思路和参考数据。

参考文献：

[1]Vukusic P J ， Sambles J R ， Lawrence C R . Structural Colour–Colour Mixing in Wing Scales of a Butterfly[J]. Nature，2000（6777）：457.

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[3]Han Z， Niu S， Shang C， et al. Light trapping structures in wing scales of butterfly Trogonoptera brookiana[J].Nanoscale，2012（9）：2879-2883.

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[5]Yoshioka S，Shimizu Y，Kinoshita S， et al. Structural color of a lycaenid butterfly： analysis of an aperiodic multilayer structure[J]. Bioinspiration & Biomimetics，2013（4）：45001.

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[7]Zhang D， Zhang W， Gu J， et al. Inspiration from butterfly and moth wing scales： Characterizatio， modeling， and fabrication[J]. Progress in Materials Science，2015（68）：67-96.

[8]Yoshioka S ， Kinoshita S. Single-scale spectroscopy of structurally colored butterflies： measurements of quantified reflectance and transmittance[J]. Journal of the Optical Society of America A，2006（1）：134-141.

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[11]邓开发，是度芳，蒋美萍，等.光子晶体研究进展[J].量子电子学报，2004（5）：555-564.

[12]李勃，周济，李龙土，等.鲍鱼壳中的一维光子带隙结构[J].科学通报，2005（13）：1422-1424.