它有一双“隐形的翅膀” ——玻璃翼蝶的成长日志

玻璃翼蝶的成长日志

玻璃翼蝶,又名宽纹黑脉绡蝶(学名:Gretaoto,俗称透翅蝶),属于凤蝶总科的蛱蝶科(Nymphalidae),主要分布在中南美洲的雨林及山区。它们的卵壳型态非常多变,有些如珍珠般光滑透亮,有些点缀上小撮鳞毛,有些具有雕刻般的纹路。

幼虫时,它们主要吃的是夜香树属的植物,这类植物含有具毒性的生物碱,且能够存储于幼虫体内,当有些鸟儿吃了他们,轻则拉肚子,重则中毒身亡。玻璃翼蝶向来与众不同,即便同属鳞翅目(Lepidoptera),他们却不与其他蝶一般拥有鳞翅目的招牌特征,成虫全身布满鳞毛,取而代之的是光滑剔透如玻璃般的翅膀,而成虫的它们一样喜爱吃“毒”口味的食物,例如菊科(含生物碱 (pyrrolizidine alkaloids))、马缨丹属植物,让掠食者们敬而远之。

我们之所以能看到非透明物体具有色彩,是由于物体会吸收部分光线,并将其他光线反射入我们的眼睛。反射程度主要取决于生物组织和环境介质之间的折射率差异,差异越大,表面反射越高。以会呈现透明的水生生物为反例,因为其组织与周遭环境的折射率相近,因此他们就能施展隐身术。但是在陆地上要隐身就很难,因为陆地生物组织的折射率和空气的折射率差异很大,所以易产生极大的表面反射。

有色翅膀的蝴蝶拥有于一排排扁平、重叠的鳞片,每个鳞片都可以通过色素沉淀产生颜色,并与光于奈米结构层级上进行交互作用,产生所谓的结构色(structural coloration),选择性吸收特定波长的光,且使光发生散射、漫反射、衍射或干涉而产生各式炫丽色彩。相反地,像透明翼蝶与部分蛾类的翅膀之所以会呈现透明,让光线穿透,并能够从透明翅膀区域看见他们身后的物体,关键在于他们只含有一层几丁质膜(chitin membrane,也称甲壳质),这层膜并不会明显地吸收或反射光线,因此光线能轻易透射这层膜。

仿生灵感:抗反射材料的诞生

然而,几丁质膜的加持还不够,因为几丁质本身具高折射率(n=1.56),因此即便透明,还是会有反射光。为此,透明翼蝶的翅膀发展出一款新型态的“抗反射构造”,造就此构造的三大功臣:微小且垂直稀疏的鳞片、几丁质组成的奈米柱、蜡质层。垂直的鳞片能顺着光线移动,使光线更容易致穿透翅膀;奈米柱使翅膀显得凹凸不平,不但能减少因相同角度反射所产生的眩光,还能使光线呈现漫反射的效果;可是,透过电子显微镜的观察,科学家们发现透明翼蝶的透明翼区的漫反射率仅约 2 % (空气与翅膀介面的比率),后来他们查出这是翅膀表面覆盖蜡质层的功劳,蜡质层似缓冲胶,因为比空气密度大,能缓冲光线穿透翅膀的速度,还能大幅减缓光线照射鳞片所产生的眩光,若去除透明翼区的奈米柱及蜡质层,则会使反射率提升 2.5 倍,使翅膀受光照而闪亮。

它有一双“隐形的翅膀” ——玻璃翼蝶的成长日志
尔斯鲁厄理工学院研究团队于 2015 年在《自然通讯》期刊中发表玻璃翼蝶翅膀表面不规则的奈米结构能降低反射

卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)的研究团队曾于 2015 年在《自然通讯》(Nature Communications)期刊发表,玻璃翼蝶翅膀表面不规则的奈米结构能降低反射,并透过蚀刻沉积技术(etching techniques)制造了仿透明蝶翅的涂层,厚度仅 500 奈米,且具有防水及自洁功能。

虽然目前研究处于测试阶段,但在未来可望将这类新型涂层应用于防眩光的眼镜镜片、相机镜头、3C 产品的荧幕上,还能用于太阳能板以提升太阳能转换效率,甚至军事领域能发展出“隐形效果”的武器或装备,这就是透明翼蝶带来的重大效应。

来自杜克大学的生物学家桑克‧强森(Sonke Johnsen)曾指出尽管许多具透明性质的物种都在身体结构上演化出奈米柱,但蜡质层倒是个令人费解的新发现,蝴蝶的几丁质覆盖层是个牢固的结构,为何还要加上蜡质层削弱其坚固度呢?因此他认为这个问题的解答或许会发掘出更多酷东西!不过一想到能在大太阳底下使用仿透明翼蝶的仿生手机,不再受恼人的反光所扰,这个对重度使用 3C 产品的人们已经是件很酷的事了!

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/shengwu/2041.html