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OPTON的微观世界|第5期 ‘蝶’影重重

发布时间: 2017-03-02 17:06 来源:北京欧波同光学技术有限公司

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引子

各位看官,小编今天出一道竞猜题,请问上图欧波同LOGO是用什么材料做成的?小编声明在先,猜对没奖。

前期回顾

书归正传,前两期内容我们通过显微分析技术,探索了2009版的美元防伪蓝条和我们的粮食——大米的微观结构,本期我们的题目是【‘蝶’影重重】。

序言

    还记得我们第三期节目中美元防伪蓝条么?那一期我们通过显微分析美元MOTION安全线解开了微透镜阵列成像技术之谜。小编觉得呢,人不能只为money活着,还要有诗和远方,春天到了,没事多出去走走,看看这美丽多彩的世间万物,比如说——蝴蝶。


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蝶儿为什么这样‘炫’?

    先来看看小编的这只蝴蝶标本吧


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剪取翅膀黄色和绿色部分,置于偏光显微镜和扫描电镜内观察,结果如下:


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偏光显微镜下,我们的蝴蝶翅膀上可以看到绿色翅膀部分有好多鳞片紧密排列,而鳞片上还有微细的结构,是不是还有更小的结构呢?这些细小结构对发光有没有影响呢?

我们随后用ZEISS场发射扫描电镜进行超低电压观察(原因是蝴蝶翅膀不导电、怕辐照、观察原始形貌又不能喷金)

扫描电镜下图像

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图A中可以发现蝴蝶翅膀上鳞片鳞次栉比,且有分层,上层鳞片局部放大(图B、图C)清楚可见鳞片上有很多脊脉和微小凹坑。


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黄色部分微细结构明显与绿色的结构不同,排列紧密呈条纹状的脊脉(图B、图C)。这些结构难道就是蝶儿这么“炫”的原因?


原理解析

    其实呢,自然界生物的色彩原理有科学家研究过,有兴趣的朋友可以自行度娘或Google。对于蝴蝶来说,它身上斑斓的色彩来源于鳞片内含有的色素和鳞片的这些细微结构,称之为鳞片的化学色结构色色素色彩的变化主要来源于对不同频率光的吸收,而结构性色彩,其原理是利用周期性结构,即光子晶体,对光的反射、透射等进行调控。

所谓化学色,也叫色素色是指鳞片由于含有不同的色素而显现出不同的颜色。蝴蝶翅膀的色素一般有黑色素(melanins),黄酮类物质(flavonoids),蝶呤(pterins)和眼色素(ommochromes)等四种。比如,蝶呤可以增强光线在单个鳞片里的反射,因而蝶呤含量高的鳞片会表现艳丽的色彩;而黑色素是高分子聚合物,会同时吸收UV和可见光,一般表现为蝴蝶翅膀斑斓花纹底下默默付出的黑色和深棕色的背景。每片鳞片都是由一个表皮细胞产生的,有自己独特的颜色,各色的鳞片们像瓦片一样彼此重叠,拼凑出眼点,条纹和渐变色等等图案(见下图)。

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结构色是鳞片表面的微观物理结构产生的。这些微观结构,比如鳞片内的多层片状薄膜(也叫肋状结构,肋片),使光波发生干涉、衍射和散射而产生了比化学色更加绚丽的颜色。这些色彩可以因不同视距、视角等因素而变化,泛着金属般的光泽,又称为彩虹色。几乎没有蝴蝶不具有结构色,尤其是闪蝶科和凤蝶科的蝴蝶。比如这只来自印尼的爱神凤蝶(见下图)。


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 这种现象原理是什么呢?我们都知道,光从一种介质进入到另一种介质,会同时发生光的反射和折射。如果一束自然光(白光)进入一个厚度为d的薄膜,会在薄膜的上表面发生一次反射,同时折射进入薄膜。由于白光是由各色光组成的,各色光的折射角不一样,第一次折射就将赤橙黄绿青蓝紫不同波长的光分离出来了。这些不同波长的光再遇到薄膜的下表面,又会发生一次反射和折射,若存在多个薄膜则依次类推。这样,各色光线的第二次反射光线,和它们的第一次反射光线,频率相同,传播方向相同,具有了干涉的基本条件。而当同样波长的光发生相长干涉时,所产生的光亮度则是色素发光没法儿比的。


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【上图:白光遇到薄膜时发生的折射和反射。下图:当两列相干光波相遇时,如果位相差异为波长的整数倍,那么它们的波峰会和波峰相遇,波谷会和波谷相遇,光波的振幅变大,亮度提高,这种现象叫做相长干涉(constructive interference)。图片来自HowStuffWorks】

 

 

后记

总之,鳞片的化学色构成蝴蝶静态的美丽花纹,而结构色,则赋予静止花纹以生命,让它随着光线发生动态的变化。正是这两种色彩的水乳交融,让自然界造就出那么多色彩斑斓的蝴蝶。

刚开始的无奖问答大家想必有答案了吧?对!是蝴蝶翅膀!

下期有什么精彩内容呢?敬请期待吧!




标签:OPTON的微观世界,欧波同,显微分析,蝴蝶
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