【精品论文】两种蝴蝶鳞片结构特征的观察和分析.doc

精品论文两种蝴蝶鳞片结构特征的观察和分析刘晓艳，张沙沙（东华大学纺织学院，上海 201620）5摘要：为了对结构生色有一定的了解，本文选取绿带翠凤蝶和碧凤蝶两种常见蝴蝶观察。文 中利用体式显微镜和扫描电镜，发现蝴蝶翅膀表面鳞片取向层叠排列，不同种类的蝴蝶鳞片 构造和尺寸也不同，这两种蝴蝶鳞片主要有拱桥形和筛孔形特征。提取鳞片结构特征和几何 尺寸，利用 solidworks 工具模拟观察的鳞片表面结构，这些为后续纺织品上的结构色仿生应 用提供了一定的参考依据。10关键词：结构色；蝴蝶；鳞片；微结构中图分类号：ts101.3observation and analysis of the featured scales of twokinds of butterflies15liu xiaoyan, zhang shasha(college of textiles,dong hua university, shanghai 201620)abstract: in order to have knowledge of structural color, both of papilio maackii and papilio bianor butterflies were taken as samples in this paper. stereo-microscope and sem were adopted to observe the wing scales. it was found that the scales of wings were in orientation stacked20arrangement, different kinds of butterfly have different construction scale and size, and there arehere mainly arch shape and mesh shape. extracting the surface geometry and structure features, the solidworks tool simulated the observed scales surface structure, which can provide the certain basis for the structural color in the subsequent textiles bionic application.keywords: structural color; butterfly; scale; microstructure250引言大自然的每一种生物都有自己特定的颜色，其中大多数颜色都是由于其内部含有各种各 样的色素。然而几百年前人们发现，自然界部分物体其特有的颜色与表面的微观结构有着紧 密的联系，即生物体系中的颜色分为色素色和结构色。色素色是由于色素选择性地吸收特定30波长的光而反射其他波长的光产生的，由于色素分子对光的吸收和反射没有方向性，所以从 各个方向观察色素颜色是一致的；结构色是由于生物体的微结构使光波发生折射、漫反射、 衍射或干涉而产生的颜色。结构色不会降低光强度，所以产生的颜色特别明亮，甚至还具有 金属光泽。如果纺织品模拟自然界的生物产生结构显色，那么即不需要染料、颜料着色就产 生颜色，清洁无污染，还可节水、节能，这将革命性地促进纺织行业的发展。35结构色相关内容很多，其中蝴蝶鳞片是结构色研究比较活跃的一个分支。蝴蝶有非常美 丽的色彩，重要起因是能够呈现绚丽的干涉色。tabata 分析了几种蝴蝶鳞片的细微结构尽管 有区别1，但发光机制都是由多层薄膜干涉导致，且不同的蝴蝶呈现出多种不同的结构2,3。 vigneron 分析提出了蝴蝶结构生色中内部光子晶体的结构以及纳米结构的耦合作用，用模型 来说明光子晶体的作用方式4。国内研究较早的有韩志武团队，根据蝴蝶鳞片的平行多层膜40结构与一维光子晶体具有相似结构这一特性，对可见光范围内仿生平行多层膜结构的光学性 能进行了理论计算5-7，同时还有一些类似的如关于孔雀羽毛鳞片结构研究的介绍8,9。基金项目：国家自然科学基金(批准号：51103021)、高等学校博士学科点基金（批准号：20110075120005） 资助。作者简介：刘晓艳，（1977-），女，副教授，主要进行纺织材料功能化的研究。e-mail: - 10 -为了清晰蝴蝶鳞片结构特征与颜色的关系，本文主要对两种蝴蝶进行了细致观察和研究，希望能为后续纺织品结构色仿生提供参考和依据。1材料与方法451.1实验样品蝴蝶标本为生长在广西柳州市鱼峰区的绿带翠凤蝶和碧凤蝶。为了尽量减少后处理对蝴 蝶鳞片的损害，保持蝴蝶鳞片原有结构，因此购买的蝴蝶样本为原碟，用纸质三角袋包裹。 蝴蝶原碟如图 1 所示。50（a）绿带翠凤蝶原碟 papilio maackii (b) 碧凤蝶原碟 papilio bianor图 1蝴蝶原蝶外观fig.1 original butterfly appearance1.2实验准备过程55本文采用快速还软法，将 90oc 的热水用注射器注入蝴蝶体内，数分钟内使其软化，进 行展翅整姿如下图 2。蝴蝶展翅之后，蝴蝶翅膀边缘有的为平滑的曲线(多为前翅)，有的为 圆滑的齿状(多为后翅)。翅膀表面的鳞片有不同颜色，并且鳞片通过不同位置、密度的排列 组成各种各样。60(a)绿带翠凤蝶 papilio maackii (b)碧凤蝶 papilio bianor图 2蝴蝶展开外观fig.2 opened butterfly appearance1.3实验仪器65利用美国科视达公司的三维视频显微镜 qhs-1000 为对蝴蝶鳞片表面进行整体观察，使 图像达到最佳清晰效果，拍照存储。将放大倍数依次调节到 100 倍、200 倍和 300 倍，进行 观察并拍照储存。为深入研究鳞片微观结构，利用 jsm-5600lv 扫描电子显微镜(sem)进行细致观察。高 真空分辨率 3.5nm，低真空分辨率 4.5nm。调节观察的角度，在显示屏上找到完整、结构清70晰的鳞片，调整不同的放大倍数，将各试验结果拍摄储存。2结果与分析2.1体式显微镜下蝴蝶鳞片观察结果2.1.1绿带翠凤蝶 首先，利用体式显微镜对绿带翠凤蝶进行低倍和高倍观察，拍摄照片如下。75(a) 绿带翠凤蝶蓝绿色鳞片 50 倍 (b) 绿带翠凤蝶蓝绿色鳞片 300 倍图 3绿带翠凤蝶蓝绿色鳞片fig.3 blue and green scales of papilio maackii butterflies (a) magnification50; (b) magnification30080从图 3 中可看出，绿带翠凤蝶翅呈现闪亮的绿色，尤其是后翅，有金属般的光泽。放大50 倍后如图 3 (a)所示，鳞片朝一定方向贴服在基质上，蓝色鳞片和绿色鳞片贴交错排列， 如同散落在基质上，鳞片之间没有重叠。有的地方鳞片密度大，有的地方鳞片密度小，鳞片 排列越密集颜色越闪亮，通过改变鳞片密集程度可以形成花纹效果。又由于绿带翠凤蝶的绿 色鳞片反光强烈，颜色鲜艳，色泽包满，泛明显的金属光泽，因而形成了其闪亮的特征。图853(b)为绿带翠凤蝶 300 倍图片，蓝色鳞片和绿色鳞片整体形状类似，相对狭长，顶端犹如锯 齿状，尾端也较平齐，只是颜色不同。2.1.2碧凤蝶 碧凤蝶表面初步显色有黄色和绿色，分别对黄色和绿色鳞片观察拍摄如下：90(a) 碧凤蝶蓝绿色鳞片 50 倍 (b) 碧凤蝶蓝绿色鳞片 300 倍95100105110115(c) 碧凤蝶黄色鳞片 50 倍 (d) 碧凤蝶黄色鳞片 300 倍图 4 碧凤蝶鳞片fig.4 scales of papilio bianor butterflies (a) green scales magnification50; (b) green scales magnification300; (c) yellow scales magnification50; (d) yellow scales magnification300碧凤蝶后翅有淡淡的绿色，前后翅有零星的黄色。绿色区域放大 50 倍后如图 4(a)所示， 事实上蓝色鳞片和绿色鳞片共存交错排列，朝同一方向贴服在基质上，如同散落在基质上， 鳞片数量较绿带翠凤蝶稀疏，鳞片之间也没有重叠。不同地方鳞片密集程度不同，导致宏观 颜色发生变化，绿色鳞片多的地方颜色鲜艳且有光泽。蓝绿色鳞片放大倍数增至 300 倍后如 图 4(b)所示，与绿带翠凤蝶蓝绿色鳞片类似，蓝色鳞片和绿色鳞片整体形状近似，相对狭长， 但是顶端较平直，尾端也较平直，只是颜色不同。碧凤蝶黄色鳞片 50 倍如图 4(c)所示，黄 色鳞片整体数量较蓝色鳞片和绿色鳞片要多，但其密集程度要稀疏，零零星星分布在碧凤蝶 翅面上。碧凤蝶黄色鳞片 300 倍如图 4(d)所示，与蓝绿色鳞片类似形状相对扁长，顶端平直， 与基质连接一段较窄，呈盾牌形。根据两种蝴蝶的初步观察发现，蝴蝶翅膀样品均是由层叠排列的小鳞片组成，鳞片整体 呈倒伏状排列，排列紧密而有序，鳞片与翅膀成一定的倾斜角度，按照从前向后的方向层状 排列。绿带翠凤蝶和碧凤蝶的蓝色鳞片和绿色鳞片类似，都按照一定方向贴服在基质表面， 通过改变鳞片密集程度来形成不同的花纹效果，并且鳞片具有金属光泽。2.2蝴蝶鳞片扫描电子显微镜(sem)观察通过体式显微镜从整体上对蝴蝶鳞片有了大致的了解。但是，要达到研究和分析鳞片微 观结构的目的，还需要用更微观的方法和试验仪器对鳞片结构进行观察和分析。为此，本文 采用 sem 对四种蝴蝶的鳞片进行观察研究。2.2.1绿带翠凤蝶利用扫描电镜，观察绿带翠凤蝶的鳞片主要结构 sem 照片如下图 5 所示。(a) 绿带翠凤蝶鳞片 i 类结构 1000 倍 (b) 绿带翠凤蝶鳞片 i 类结构 5000 倍120125130135140(c) 绿带翠凤蝶鳞片 ii 类结构 1000 倍 (d) 绿带翠凤蝶鳞片 ii 类结构 5000 倍图 5 绿带翠凤蝶鳞片 sem 结构图fig.5 sem of scales of papilio maackii butterfly (a) i 1000;(b) i 5000;(c) ii1000;(d) ii5000绿带翠凤蝶 i 类结构：如图 5(a)所示，这类鳞片边缘平滑，顶端平齐，基部逐渐变细插 入基体，为鳞片输送营养。鳞片长大约 150-200m，宽大约 50-80m。如图 5(b)所示，鳞片 纵向有线形脊脉将鳞片等距离分隔开，间隔距离大约为 5-6m，脊脉宽约 0.5m。沿着条纹 纵向有横向凸起，凸起顶端高度相同，凸起宽度相等约 2m，横贯整个条纹横向，几乎等间 距分布，相邻两个凸起顶部相距大约 3m。绿带翠凤蝶 ii 类结构：如图 5(c)这类结构顶端有两到三个圆滑的齿，基部也是越来越细 插入基体为鳞片输送营养。鳞片大小跟 i 类差不多，长约 150-200m，宽约 50-80m。如图5(d)鳞片纵向也有线形脊脉将鳞片均匀分隔开，宽度大约 2.5m 左右。没有凸起结构，但是 有网孔。每一列有三排网孔，两侧网孔狭长类似长方形，中间网孔类似圆形，但不是按照统 一尺寸纵向排列，网孔大小不一。2.2.2碧凤蝶 碧凤蝶属于凤蝶科，其前翅的边沿有闪亮的绿色，这种绿色来源于体内的多层膜结构。扫描电镜 sem 照片显示特征如下：(a) 碧凤蝶鳞片 i 类结构 5000 倍(b) 碧凤蝶鳞片 ii 类结构 1000 倍 (c) 碧凤蝶鳞片 ii 类结构 10000 倍 图 6 碧凤蝶鳞片 sem 结果fig.6 sem of scales of papilio bianor butterfly (a) i 5000;(b) ii1000;(c) ii10000145150155160165碧凤蝶 i 类结构：如图 6(a)所示，这类鳞片结构与绿带翠凤蝶的 i 类鳞片结构类似，不同的是既有与脊脉等宽度的凸起，也有近似于脊脉宽度一半的凸起，并且间隔排列。脊脉宽 约为 4.5m，凸起的间隔距离约为 2m。碧凤蝶 ii 类结构：如图 6(b)所示，这类鳞片与绿带翠凤蝶的 ii 类鳞片相似，但是顶端齿的数量较多有三四个，且边缘比较圆滑，齿的顶端较尖；鳞片底端不像绿带翠凤蝶那样逐 渐变成管状，而是有一定宽度，中间有管状结构与基体相连。这类鳞片结构整体为梯形，长 约 200m，顶端约宽 35m，底端宽约 19m。如图 6(c)所示，鳞片纵向有线状脊脉将鳞片均 匀分隔开，间隔距离大约为 2m。该类鳞片也是网孔结构，网孔的形状不同，有的接近五边 形，有的接近平行四边形，有的接近正方形，有的接近三角形，有的接近圆形，等等，但都 有个共同点，就是棱角很圆滑。网孔的大小不一，每一纵列条纹的横向有三个网孔交叉排列。2.3蝴蝶鳞片结构提取优化模型根据 sem 照片尺寸标定，在尽量忠于原结构并适当简化部分结构基础上，以 solidworks 作为绘制工具，构建绿带翠凤蝶和碧凤蝶鳞片的平面结构模型。实现可视效果，为下一步的 机理分析提供重要数据。2.3.1绿带翠凤蝶鳞片 i 类结构模型以图 5(b) 绿带翠凤蝶鳞片 i 类结构为原型，观察图片。该鳞片为凸起类结构，鳞片纵 向有线形脊脉将鳞片等距离分隔开，沿着脊脉方向有横贯脊脉间隔横向的凸起，凸起几乎等 间隔分布，其顶端与脊脉高度相同，两侧为一斜面。为简化模型，假设凸起结构相同，全部 贯穿脊脉间横向，大小相等，如图 7 所示。图 7 绿带翠凤蝶鳞片 i 类结构模型尺寸fig.7 structure size of papilio maackii butterfly i-type scales如图 7 所示模型尺寸，单位为 mm，脊脉宽约 0.5m，被脊脉分隔的宽度为 5.4m。凸 起结构宽度为 2m，长度与脊脉间隔宽度相等为 5.4m，凸起等间距分布，相邻凸起顶端间 隔为 3m。相邻脊脉的凸起结构交错排列。根据上述尺寸建立绿带翠凤蝶鳞片 i 类表面结构 二维模型如下图 8 所示。170175180185图 8 绿带翠凤蝶鳞片 i 类结构平面模型fig.8 plane model of papilio maackii butterfly i-type scales2.3.2绿带翠凤蝶鳞片 ii 类结构模型图 5(d)为绿带翠凤蝶鳞片 ii 类结构原型。这类鳞片结构与 i 类结构差别较大，没有凸起 结构，但是有网孔，为网孔类结构，鳞片纵向也有线形脊脉将鳞片均匀分隔开。每一列有三 排网孔，两侧网孔狭长类似长方形，中间网孔类似圆形，但不是按照统一尺寸纵向排列，网 孔大小不一。假设网孔形状为规则型，靠近脊脉的网孔为椭圆，中间为圆形，交叉排列。如 图 9 所示模型尺寸，单位为 mm，脊脉宽度约 0.44m，脊脉间的宽度为 1.8m。图 9 绿带翠凤蝶鳞片 ii 类结构模型尺寸fig.9 structure size of papilio maackii butterfly ii-type scales圆孔半径为 0.3m，椭圆长直径为 0.75m，短直径为 0.3m。根据以上结构尺寸建立 绿带翠凤蝶鳞片 ii 类结构平面模型如图 10 所示。图 10 绿带翠凤蝶鳞片 ii 类结构平面模型fig.10 plane model of papilio maackii butterfly ii-type scales1901952.3.3碧凤蝶鳞片 i 类结构模型根据图 6(a) 碧凤蝶凸起类结构的特点，本着还原鳞片表面原结构形貌和简化结构的原 则，建立如下鳞片结构模型如图 11 所示。图 11 碧凤蝶鳞片凸起类结构模型尺寸fig.11 structure size of papilio bianor butterfly bumped-type scales200假设凸起结构有两种，一种为长度横贯脊脉横向的凸起结构，一种长度几乎为脊脉宽度一半的凸起结构，且这两种凸起结构相间排列，各自尺寸大小不变。如图 11 所示尺寸，单 位为 mm，脊脉宽度约 0.58m，脊脉间的宽度为 4.5m。凸起宽度为 1.47m，凸起顶端间 隔距离为 2.9m。图 12 为碧凤蝶鳞片凸起类表面结构模型。图 12 碧凤蝶鳞片凸起类结构平面模型fig.12 plane model of papilio bianor butterfly bumped-type scales2052102.3.4碧凤蝶鳞片 ii 类结构模型根据图 6(b)网孔类结构的特点，本着还原鳞片原结构形貌和简化结构的原则，建立如下 鳞片结构模型如图 13 所示。图 13碧凤蝶鳞片网孔类结构模型尺寸fig.13 structure size of papilio bianor butterfly mesh-type scales假设网孔形状为规则型，都为圆形，中间为小圆，两边为大圆，且各自尺寸相同。如图14 所示模型尺寸，单位为 m，脊脉宽度约 0.29m，脊脉间的宽度为 1.57m。小圆孔直径 为 0.43m，大圆孔直径为 0.50m。215220225230图 14 碧凤蝶鳞片网孔类结构平面模型fig.14 plane model of papilio bianor butterfly mesh-type scales3结论本文通过对两种常见蝴蝶鳞片结构的显微镜和扫描电镜观察，发现蝶翅鳞片表面布满了 精细的三维微纳结构，这些微纳结构会和周围环境气氛作用而发生光的反射、折射、干涉、 衍射，从而产生一些特殊的光学效应。(1) 蝴蝶翅上的鳞片微观形态因种类的不同而有所差异。蝴蝶鳞片与基底成一定的倾斜角， 如覆瓦状相互重叠周期排列。(2) 根据鳞片的微观结构，鳞片具有许多平行排列的纵肋，纵肋间有规则排列的拱桥形横梁， 有的为棋盘形或者筛孔形。(3) 通过对鳞片表面几何结构的简单模拟，可以为后续的纺织品的进一步结构色仿生提供一 定的参考价值。参考文献 (references)2352402451 tabata h., kumazawa k., funakawa m., takimoto j.i. akimoto m. microstructures and optical properties ofscales of butterfly wingsj. optical review.1996,3(2): 139-1452 vukusic p., sambles r.,lawrence c., wakely g. sculpted-multilayer optical effects in two species of papilio butterfly. applied opticsj. 2001, 40(7): 1116-11253 vukusic p., hallam b., noyes j. brilliant whiteness in ultrathin beetle scalesj. science,2007,315(5810):348 4 kertsz k., blint z.s., vrtesy z., mrk g.i., lousse v., vi