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科學家從蝴蝶翅膀鱗片的蛻變中尋找到新型光熱管理材料的靈感

文章來源：賢集網更新時間：2024-09-09 15:22:31

麻省理工學院研究人員開發出觀察蝴蝶翅膀鱗片蛻變的方法，發現鱗片脊狀結構通過屈曲過程形成，有助于理解鱗片機械特性，并可能為新型光熱管理材料設計提供應用前景。

一、色彩的奧秘：化學色與結構色的對比

在自然界的色彩范疇中，主要存在化學色與結構色這兩大類別。

化學色是通過特定色素分子對光的吸收與反射來展現顏色。這種方式雖賦予了生物體豐富多樣的色彩，但存在明顯弊端。因為其顏色基于色素，一旦色素流失或發生改變，顏色就會褪色、變色，缺乏持久穩定性。

而結構色與傳統顏料或染料有本質區別。它源于生物表面結構對光的反饋，在微納尺度上，光與物質微觀結構相互作用產生獨特光學效應。這種色彩更為鮮艷，且具備顯著優勢 —— 具有恒久性、潔凈且環保。

二、自然的奇跡：結構色在自然界的呈現

自然界中最鮮艷的顏色多為結構色的成果。例如孔雀羽毛與蝴蝶翅膀，它們絢麗的色彩是通過微觀納米結構生成的。這些顏色鮮艷明亮，且會隨光線入射角度和觀察者位置的變化而改變，具有復雜的光學特性且難以復制。只要其周期性結構保持不變，結構色就能維持不褪色的特性，展現出持久的美感。

1. 蝴蝶翅膀鱗片的構造與特性

蝴蝶翅膀堪稱大自然的精妙之作。翅膀上覆蓋著大量細小的鱗片，這些鱗片在結構與功能上都有獨特之處。單個鱗片雖微小，但具有復雜的結構，其表面有波紋狀的脊。這些脊在吸水、散熱和反射光等方面發揮著重要作用，使得蝴蝶翅膀呈現出獨特的光學效果。

麻省理工學院的研究人員開創了一種用于觀察和成像蝴蝶翅膀蛻變過程中鱗片發展的方法。他們發現鱗片的脊狀結構是通過一種稱為屈曲的過程形成的。這一發現對深入理解鱗片形成的機械特性意義重大，同時也為設計新型光熱管理材料提供了潛在應用前景。

2. 蝴蝶翅膀鱗片的發育過程

研究人員利用先進的成像技術，成功捕捉到蝴蝶蛻變過程中單個鱗片開始形成脊狀花紋的初始瞬間。通過連續拍攝單個鱗片從翅膜生長出來的圖像，首次展示了鱗片從光滑表面起皺，形成微小平行起伏的過程。這些波紋狀結構最終發育成精細的紋脊，而這些紋脊決定了成年鱗片的功能。

研究表明，鱗片向波紋表面的轉變可能是 “屈曲” 機制在起作用。“屈曲” 是一種描述光滑表面在密閉空間內生長時起皺的機制。正如麻省理工學院機械工程副教授馬蒂亞斯 - 科勒所說：“屈曲是一種不穩定性，但生物體利用它來啟動這些復雜功能性結構的生長。”

研究小組正努力對蝴蝶翅膀生長的更多階段進行可視化。他們期望從大自然中獲取智慧，為設計先進功能材料提供更多線索。“鑒于蝴蝶鱗片的多功能性，我們希望了解并仿效這些過程，從而可持續地設計和制造新型功能材料。這些材料將具備量身定制的光學、熱學、化學和機械特性，適用于紡織品、建筑表面、車輛等眾多領域，只要是需要依賴微觀和納米級結構特性的表面都可應用。” 科勒補充道。

3. 蝴蝶翅膀生長細節的捕捉

2021 年，研究人員開發出一種新方法，可連續捕捉蝴蝶蛻變過程中翅膀生長的微觀細節。他們小心地切開昆蟲薄蛹，剝開一小塊角質層，露出翅膀生長的薄膜。然后在暴露區域放置一個小玻璃片，再運用特定的顯微鏡技術，連續獲取鱗片從翅膀膜中生長出來的圖像。

他們選擇小紅蛺蝶進行觀察，因為這種蝴蝶的鱗片結構在鱗翅目昆蟲中具有代表性。觀察發現小紅蛺蝶的鱗片沿著翼膜精確地重疊生長。這些圖像為科學家們提供了迄今為止在微觀尺度上最連續的活體蝴蝶翅鱗生長的可視化圖像。

4. 紋脊發育機制的探索

在新的研究中，研究小組將重點放在鱗片發育過程中的特定時間窗口，旨在捕捉活體蝴蝶單個鱗片上精細脊的最初形成過程。他們知道，這些沿著單片鱗片長度方向平行排列的脊賦予了翼鱗多種功能。

由于此前人們對這些脊的形成機制知之甚少，麻省理工學院的研究小組致力于記錄正在發育的活蝴蝶體內脊的連續形成過程，并嘗試破譯這種生物體的脊形成機制。

5. 脊狀結構形成原因的研究

是什么原因導致最初的山脊以精確的排列方式出現呢？研究人員懷疑是屈曲在起作用。屈曲是一種機械過程，當材料受到壓縮力時會向內彎曲，類似于一個空汽水罐從頂部向下擠壓時的彎曲情況。在材料生長過程中，如果受到約束或被固定，也會發生彎曲。

科學家們注意到，當蝴蝶鱗片的細胞膜生長時，它在某些地方會被肌動蛋白束固定。肌動蛋白束是在生長的細胞膜下運行的長絲，在鱗片成形時起到支撐作用。科學家們推測，肌動蛋白束對生長膜的約束作用與特定的物理機制相關。隨著蝴蝶翼鱗的生長，翼鱗在底層肌動蛋白絲之間隆起，以彎曲的方式形成鱗片最初的平行脊。

為了驗證關于脊狀結構形成的想法，麻省理工學院的研究小組研究了一個描述屈曲一般力學原理的理論模型。他們將圖像數據，如測量鱗片膜在不同發育早期階段的高度以及橫跨生長膜的肌動蛋白束的不同間距等信息加入到模型中。然后，將模型時間向前推移，觀察其機械屈曲的基本原理是否會產生與實際蝴蝶中觀察到的相同的脊狀圖案。

通過這種建模方式，研究人員發現從一個平坦的表面可以變成一個起伏更大的表面。從力學角度來看，這表明膜的屈曲很有可能是形成這些有序脊的起因。

三、自然的啟示：對材料科學的影響

麥克杜格爾指出：“我們希望從大自然中學習，不僅要學習這些材料的功能，還要學習它們的形成方式。” 例如，如果要制造一個褶皺的表面，這在很多應用中都很有用，那么從蝴蝶鱗片的形成過程中可以得到啟示，有兩個可調節的因素來定制這些表面的褶皺方式。可以改變固定材料的間距，也可以改變固定部分之間材料的生長量，而蝴蝶在其鱗片形成過程中同時運用了這兩種策略。

在材料科學領域，大自然是最好的老師。從蝴蝶翅膀鱗片的結構色形成及其獨特的生長機制中，我們獲得了寶貴的經驗和靈感。這不僅為我們設計新型材料提供了新的思路，也讓我們對自然界的奧秘充滿了敬畏與探索的渴望。

四、未來的展望：基于自然的材料科學新征程

隨著對蝴蝶翅膀結構色以及鱗片形成機制研究的不斷深入，我們仿佛開啟了一扇通往新世界的大門。未來，基于這些自然原理設計出的新型材料有望在各個領域大放異彩。

在建筑領域，具有結構色的材料可使建筑物外觀隨光線變化呈現不同色彩，既美觀又環保。在汽車制造領域，這種材料應用于車身，可減少傳統油漆使用，降低環境污染，同時根據不同光線條件改變車身顏色，增加車輛獨特性。

在時尚領域，設計師們可利用結構色設計出永不褪色的服裝和飾品，使時尚更加可持續。在光學領域，新型光熱管理材料的開發可提高光學設備的性能和效率。

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來源：賢集網
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