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科学家从蝴蝶翅膀鳞片的蜕变中寻找到新型光热管理材料的灵感

文章来源：贤集网更新时间：2024-09-09 15:22:31

麻省理工学院研究人员开发出观察蝴蝶翅膀鳞片蜕变的方法，发现鳞片脊状结构通过屈曲过程形成，有助于理解鳞片机械特性，并可能为新型光热管理材料设计提供应用前景。

一、色彩的奥秘：化学色与结构色的对比

在自然界的色彩范畴中，主要存在化学色与结构色这两大类别。

化学色是通过特定色素分子对光的吸收与反射来展现颜色。这种方式虽赋予了生物体丰富多样的色彩，但存在明显弊端。因为其颜色基于色素，一旦色素流失或发生改变，颜色就会褪色、变色，缺乏持久稳定性。

而结构色与传统颜料或染料有本质区别。它源于生物表面结构对光的反馈，在微纳尺度上，光与物质微观结构相互作用产生独特光学效应。这种色彩更为鲜艳，且具备显著优势 —— 具有恒久性、洁净且环保。

二、自然的奇迹：结构色在自然界的呈现

自然界中最鲜艳的颜色多为结构色的成果。例如孔雀羽毛与蝴蝶翅膀，它们绚丽的色彩是通过微观纳米结构生成的。这些颜色鲜艳明亮，且会随光线入射角度和观察者位置的变化而改变，具有复杂的光学特性且难以复制。只要其周期性结构保持不变，结构色就能维持不褪色的特性，展现出持久的美感。

1. 蝴蝶翅膀鳞片的构造与特性

蝴蝶翅膀堪称大自然的精妙之作。翅膀上覆盖着大量细小的鳞片，这些鳞片在结构与功能上都有独特之处。单个鳞片虽微小，但具有复杂的结构，其表面有波纹状的脊。这些脊在吸水、散热和反射光等方面发挥着重要作用，使得蝴蝶翅膀呈现出独特的光学效果。

麻省理工学院的研究人员开创了一种用于观察和成像蝴蝶翅膀蜕变过程中鳞片发展的方法。他们发现鳞片的脊状结构是通过一种称为屈曲的过程形成的。这一发现对深入理解鳞片形成的机械特性意义重大，同时也为设计新型光热管理材料提供了潜在应用前景。

2. 蝴蝶翅膀鳞片的发育过程

研究人员利用先进的成像技术，成功捕捉到蝴蝶蜕变过程中单个鳞片开始形成脊状花纹的初始瞬间。通过连续拍摄单个鳞片从翅膜生长出来的图像，首次展示了鳞片从光滑表面起皱，形成微小平行起伏的过程。这些波纹状结构最终发育成精细的纹脊，而这些纹脊决定了成年鳞片的功能。

研究表明，鳞片向波纹表面的转变可能是 “屈曲” 机制在起作用。“屈曲” 是一种描述光滑表面在密闭空间内生长时起皱的机制。正如麻省理工学院机械工程副教授马蒂亚斯 - 科勒所说：“屈曲是一种不稳定性，但生物体利用它来启动这些复杂功能性结构的生长。”

研究小组正努力对蝴蝶翅膀生长的更多阶段进行可视化。他们期望从大自然中获取智慧，为设计先进功能材料提供更多线索。“鉴于蝴蝶鳞片的多功能性，我们希望了解并仿效这些过程，从而可持续地设计和制造新型功能材料。这些材料将具备量身定制的光学、热学、化学和机械特性，适用于纺织品、建筑表面、车辆等众多领域，只要是需要依赖微观和纳米级结构特性的表面都可应用。” 科勒补充道。

3. 蝴蝶翅膀生长细节的捕捉

2021 年，研究人员开发出一种新方法，可连续捕捉蝴蝶蜕变过程中翅膀生长的微观细节。他们小心地切开昆虫薄蛹，剥开一小块角质层，露出翅膀生长的薄膜。然后在暴露区域放置一个小玻璃片，再运用特定的显微镜技术，连续获取鳞片从翅膀膜中生长出来的图像。

他们选择小红蛱蝶进行观察，因为这种蝴蝶的鳞片结构在鳞翅目昆虫中具有代表性。观察发现小红蛱蝶的鳞片沿着翼膜精确地重叠生长。这些图像为科学家们提供了迄今为止在微观尺度上最连续的活体蝴蝶翅鳞生长的可视化图像。

4. 纹脊发育机制的探索

在新的研究中，研究小组将重点放在鳞片发育过程中的特定时间窗口，旨在捕捉活体蝴蝶单个鳞片上精细脊的最初形成过程。他们知道，这些沿着单片鳞片长度方向平行排列的脊赋予了翼鳞多种功能。

由于此前人们对这些脊的形成机制知之甚少，麻省理工学院的研究小组致力于记录正在发育的活蝴蝶体内脊的连续形成过程，并尝试破译这种生物体的脊形成机制。

5. 脊状结构形成原因的研究

是什么原因导致最初的山脊以精确的排列方式出现呢？研究人员怀疑是屈曲在起作用。屈曲是一种机械过程，当材料受到压缩力时会向内弯曲，类似于一个空汽水罐从顶部向下挤压时的弯曲情况。在材料生长过程中，如果受到约束或被固定，也会发生弯曲。

科学家们注意到，当蝴蝶鳞片的细胞膜生长时，它在某些地方会被肌动蛋白束固定。肌动蛋白束是在生长的细胞膜下运行的长丝，在鳞片成形时起到支撑作用。科学家们推测，肌动蛋白束对生长膜的约束作用与特定的物理机制相关。随着蝴蝶翼鳞的生长，翼鳞在底层肌动蛋白丝之间隆起，以弯曲的方式形成鳞片最初的平行脊。

为了验证关于脊状结构形成的想法，麻省理工学院的研究小组研究了一个描述屈曲一般力学原理的理论模型。他们将图像数据，如测量鳞片膜在不同发育早期阶段的高度以及横跨生长膜的肌动蛋白束的不同间距等信息加入到模型中。然后，将模型时间向前推移，观察其机械屈曲的基本原理是否会产生与实际蝴蝶中观察到的相同的脊状图案。

通过这种建模方式，研究人员发现从一个平坦的表面可以变成一个起伏更大的表面。从力学角度来看，这表明膜的屈曲很有可能是形成这些有序脊的起因。

三、自然的启示：对材料科学的影响

麦克杜格尔指出：“我们希望从大自然中学习，不仅要学习这些材料的功能，还要学习它们的形成方式。” 例如，如果要制造一个褶皱的表面，这在很多应用中都很有用，那么从蝴蝶鳞片的形成过程中可以得到启示，有两个可调节的因素来定制这些表面的褶皱方式。可以改变固定材料的间距，也可以改变固定部分之间材料的生长量，而蝴蝶在其鳞片形成过程中同时运用了这两种策略。

在材料科学领域，大自然是最好的老师。从蝴蝶翅膀鳞片的结构色形成及其独特的生长机制中，我们获得了宝贵的经验和灵感。这不仅为我们设计新型材料提供了新的思路，也让我们对自然界的奥秘充满了敬畏与探索的渴望。

四、未来的展望：基于自然的材料科学新征程

随着对蝴蝶翅膀结构色以及鳞片形成机制研究的不断深入，我们仿佛开启了一扇通往新世界的大门。未来，基于这些自然原理设计出的新型材料有望在各个领域大放异彩。

在建筑领域，具有结构色的材料可使建筑物外观随光线变化呈现不同色彩，既美观又环保。在汽车制造领域，这种材料应用于车身，可减少传统油漆使用，降低环境污染，同时根据不同光线条件改变车身颜色，增加车辆独特性。

在时尚领域，设计师们可利用结构色设计出永不褪色的服装和饰品，使时尚更加可持续。在光学领域，新型光热管理材料的开发可提高光学设备的性能和效率。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_557093.html
来源：贤集网
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