💃🏿 🥩 👲 吸光翼：超级黑蝴蝶的秘密 🧑🏾‍🤝‍🧑🏽 🌬️ 🧙

“白色的海岸以及在其上方的遥远的绿色山丘在冉冉升起的太阳下”是甘道夫在电影《指环王》中表达的“旅程的继续”最著名的描述之一。如果我们抛弃哲学的潜台词，那么这幅画对于某些人来说似乎是陈腐的，而对于某些人来说，却是难以置信的美丽。正如他们所说，对每个人来说，美丽是情人眼中的情人。无论人们喜欢欣赏什么，无论是日落还是海面，这些具有美感的对象的物理特性都保持不变。不同的材料会以不同的方式与光交互，从而导致色谱图发生如此大的变化。但是有些材料实际上不反射光，而是吸收了大部分光。在合成材料中，值得一提的是Vantablack，它吸收高达99.965％的辐射。因此杜克大学的科学家发现了某些类型的蝴蝶的翅膀具有可比的特征，但比人类创造的任何物质都要薄几倍。蝴蝶的翅膀有多黑，为什么它们吸收辐射，如何将这些发现付诸实践？科学家的一份报告将告诉我们这一点。走。

学习基础

在创造一种吸收几乎所有辐射的“超黑”材料时，主要重点不是化学物质，而是化学物质的内部结构。因此，例如，Vantablack由垂直排列的碳纳米管制成。但是，这种材料非常易碎，这极大地限制了其应用范围。

有关Vantablack的小视频。

与具有高吸收系数并因此具有低反射系数的合成材料相反，存在天然材料（煤，煤烟，铂黑等）。

如果我们谈论的是生物而不是不同的矿物质，那么这里的自然也不会掠过后方。在某些种类的马蜘蛛，鸟类和蝴蝶中，该颜色在性能上可与Vantablack媲美。

因此，来自凤蝶科的蝴蝶翅膀的反射率为0.2％，这是由于它们具有多分散的蜂窝状结构。随之而来的问题是-the蝶科的所有物种都具有相同的翅膀结构吗？

Pachliopta kotzebuea是蝶形科的一种蝴蝶。

尽管蝴蝶翅膀很脆弱，但它们的结构却非常复杂，这是所有家族所有物种固有的趋势。最重要的是，这种结构可以有所不同，并且可以实现各种物理过程。

对蝶翅蝶形蝶科的详细检查使我们看到，辐射的吸收是由于两层微观尺度的影响，有时其大小不超过2.5微米。在标尺的上部放置一块板，该板具有准蜂窝结构形式的图案，该准蜂窝结构由连接边缘的横向肋构成。

蝴蝶翅片，以Gonepteryx cleopatra（Clematra柠檬草）物种为例。

科学家认为，在研究超黑材料方面对蝴蝶如此热烈的兴趣归因于以下几个原因：蝴蝶具有几种不同类型的专业薄片，包括多层反射器和薄膜；鳞片比其他超黑色天然材料和合成类似物薄许多倍；薄片轻巧耐用，足以飞行。

先前的研究表明，薄片上板中的纳米级（240 nm）孔可使光穿透薄片内部，并被黑色素吸收，黑色素与表皮的几丁质结合。还发现这种板比没有孔的板吸收更多的光。但是，尚不可能精确地确定限制这些孔的结构肋的目的。一些科学家认为，由于孔中的光的方向，这种结构增加了光的吸收。

在我们今天正在考虑的研究中，科学家决定更详细地研究这些神秘的鳞片，以便更准确地描述其结构和吸光特性。为此，使用了分光光度法，扫描电子显微镜（SEM）和时域中的有限时差建模。

初步发现是，尽管纳米孔的大小和形状存在显着差异，但所有超黑鳞片都有陡峭的边缘和小梁，比普通的黑鳞片或棕色鳞片更深，更宽。光学建模已经证实，这些结构特征是如此低反射系数的关键，并且去除其中的任何一个都会使反射系数急剧增加一个数量级以上。同样明显的是，这种片状结构增加了光吸收的面积。为了解释超黑机翼的实际应用，科学家提出了一种理论：由于所有蝴蝶的机翼都具有超黑部分，总是在不同颜色的区域（白色，红色等）接壤，因此可能需要增加感知的亮度和颜色饱和度，种间和种内通信中应用了什么。

研究成果

为了研究蝴蝶的超黑颜色背后的纳米结构的潜在多样性，科学家从四个亚科中选择了10种蝴蝶：Papilioninae，Biblidinae，Danainae和Heliconinae。还选择了棕色和普通黑色的蝴蝶作为对照组。

影像1：不同组的蝴蝶的反射率取决于辐射波长。

在所有来自超黑组的蝴蝶中，垂直入射光（500 nm）的反射率从0.06％到0.4％。在对照组的蝴蝶中，此参数的范围为1-3％。

图片编号2：来自超黑组的蝴蝶翅膀鳞片结构的形态多样性。

超黑材料最终取决于吸收嵌入复杂结构的颜料。首先，使用SEM评估了11只蝴蝶（7只超黑，4只对照）的结构。在所有蝴蝶中，鳞片的上层都打有准周期性的孔。孔的形状和大小存在显着差异：在Eunica chlorocroa中呈 V形；矩形开口（500x330 nm），用于安提叶虫，胡麻叶虫和Heliconius doris；Euploea Dufresne和Euploea Klugi的矩形开口（750x500 nm）。

值得注意的是，没有一只蝶形蝴蝶（Biblidinae，Danainae和Heliconinae亚科）的蜂窝状结构类似于在食蚁动物（Papilionidae家族）中发现的蜂窝状结构。

缺少蜂窝结构以及各种尺寸和形状的孔，表明蝴蝶的光吸收能力不取决于孔的特定形状或尺寸。但是，孔形状的某些个别变化可能有助于增加光在异常入射角下的吸收。

在超黑蝴蝶中，各种物种的纳米孔的形状和大小各不相同：A -Catonephele antinoe；乙 — Catonephele numilia (); C — Catonephele numilia (); D — Eunica chlorocroa; E — Euploea dufresne; F — Euploea midamus; G — Euploea klugi; H — Heliconius doris; I — Heliconius ismenius; J — Napeocles jucunda; K — Trogonoptera brookiana (); L — Trogonoptera brookiana ().

在所有超黑蝴蝶样品中发现了两个常见的结构特征：陡峭的边缘和连接上下平板的耐用小梁。在对照组的样品中，开口大得多，小梁小得多或完全不存在。

来自超黑蝴蝶种的雄性中的小梁（红色突出）大于对照组的雌性中的小梁：A -Trogonoptera brookiana（雌性）；B -Trogonoptera brookiana（雄性）；C -Catonephele numilia（女）; D -Catonephele numilia（男性）。

这些差异直接表明了揭示的结构特征对于获得机翼低反射率的重要性。

令人惊讶的是，即使发现了纳米孔和大骨小梁的超黑蝴蝶的翅膀，即使被金覆盖（用于进行REM研究），它们的翅膀仍然保留着黑色（上图）。

这些观察使获得用于仿真的有价值的数据成为可能：评估了蝴蝶机翼确定的几何特征对反射率形成的贡献。

由于机翼薄片的反射率低，甚至是透明的（像飞蛾一样），因此对位于100％白色表面上的两个重叠薄片计算了反射率。

使用有限时差法，对一个具有500x330 nm矩形开口的结构的反射率进行了建模，以该物种的蝴蝶为C. antinoe（所有研究物种中最黑的）。

然后进行了类似的模拟，但去除了肋骨，小梁或基底板。结果，获得了蝴蝶翼片状模型，其在光谱的整个可见部分上的反射率在0.4％至1.0％的范围内。

图片3：仿真结果。颜色名称：蓝色 -完整比例的模型；红色 -薄片去除了小梁; 黄色 -片状肋骨已去除；紫色-除去基底板；棕色 -除去小梁和肋骨；绿色 -矩形块，其吸收材料的体积与常规薄片中的相同。

该指标比使用与薄片相同吸收材料的两个平面重叠板进行建模的情况低14-40倍。

也就是说，去除肋骨或薄片的整个内部结构导致反射率增加3到16倍。如果您在不接触薄片本身的几何形状的情况下移除了相当数量的反射材料，那么反射率只会增加两倍。至于基底板的去除，该指标的变化非常微不足道。

接下来，决定考虑在没有吸收材料参与的情况下几何形状对反射率形成的贡献。为此，对具有透明肋骨和小梁的秤进行了建模。

该测试表明，与根本没有边缘的薄片相比，仅薄片结构的边缘将反射率降低了14-58％。然而，与根本不存在的薄片相比，小梁将反射率降低了5-70％。

图4：不带小梁和透明小梁的薄片的反射率比较（左）；比较无边缘和透明边缘的薄片的反射率（右）。

在分析了几何形状之后，科学家开始分析黑色素色素，以发现其光学性质在形成蝴蝶翅膀的总反射率中的重要性。黑色素对于两种生物材料都具有异常高的实数（n）和虚数（k）折射率。

利用薄片结构的形态特征，使用折射率的实部和虚部的99种独特组合在550 nm处模拟了反射率。测得的折射率的实部为n = 1.33（水）至n = 1.8（黑色素），虚部为k = 0.0（无吸收）至k = 0.20。

图片5：反射率主要由折射率的虚部决定。

没有吸收，位于白色背景上的两个薄片的反射率接近100％，但是在k = 0.06时，反射率开始下降1％。实际折射率的影响在k > 0.06的范围内支配虚构的作用。对于具有较高虚部（k > 0.10）的薄片，情况会发生变化，并且折射率的实部成为反射率增加的原因。例如，当k = 0.15时，n = 1.33 处的反射率比n = 1.8时低88％。当0.06 < k<0.10，反射率取决于折射率的两个分量。

这表明要获得在超黑蝴蝶中观察到的反射率，不需要黑色素，只需要吸收材料（理想情况下，折射率的实际部分低于黑色素的材料）。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他材料。

结语

这项研究表明，某些种类的蝴蝶的翅膀具有独特的纳米级结构，在90°的角度下反射率不超过辐射的0.06％。

人们发现，在覆盖蝴蝶翅膀的薄片之间，有小梁，可以增加表面积，吸收角质层黑色素的辐射。

因此，除了它的厚度仅为其厚度的1/5之外，这种超黑结构可与合成结构媲美。因此，如果我们以蝴蝶的翅膀为基础，我们可以尝试重新创建某种合成的类似物，该类似物将具有相似的反射率，并且同样薄但坚固。

根据研究人员自己的观点，他们的工作不仅对工程师和纳米技术人员，而且对于动物学家（尤其是研究蝴蝶的鳞翅目生物学家）都非常感兴趣，因为目前尚不清楚为什么蝴蝶如此复杂。可能需要这样一种不寻常的颜色来吸引伴侣的注意力或吓跑掠食者，目前尚无确切答案。科学家们还打算继续研究，重点放在进化成分上。他们想找出蝴蝶的翅膀在进化过程中表现出了多少黑色。通过这种方式，他们将能够理解为什么当前占主导地位的秤结构以及什么因素影响了秤的形成。

无论科学家将来发现什么，他们的工作都再次证明了大自然仍然使我们感到惊讶。

周五顶峰：

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谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家周末愉快！:)

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