银灰蝶翅无序微结构所致宽视角高反射特性及热控效应

蝴蝶绚烂多彩的外表一直吸引着古往今来的科学家和艺术家。这些颜色大多来源于蝶翅鳞片精细的微观光子结构,经过亿万年的演化,这些微结构对光/电磁波的调控能力让人叹为观止,并启迪研究者研制新型、先进且性能优异的系列光学材料及器件。相比于五颜六色的选择性反射,宽带反射是蝴蝶中更加常见但最容易被忽视的光学现象,对宽带反射的研究有助于研制更加高效节能的热控材料或显示器件。根据反射率和角度的关系,宽带反射可以分为角度不依赖性(漫反射)和角度依赖性(金属银白色)两种。漫反射最常见于粉蝶的翅膀,其产生原因是纳米微珠引起的米氏散射,主要用作彩色斑块的背底以增强对比度。金属银白色鲜有报导,被认为可以在昏暗条件下提高种内交流识别的效率。事实上,蝶翅的结构色和蝴蝶自身的其他习性有着密切关系,需要考虑各方面因素来综合研究这些结构色背后的物理机制和隐藏的特殊功能。

上海交通大学材料科学与工程学院范同祥教授和周涵教授课题组研究了尖翅银灰蝶翅膀腹面银白色的结构起源,发现这种具有特殊角度依赖性的宽带反射现象可归功于鳞片中无序的微结构。首先,这种银白色鳞片是一种典型的“几丁质-空气-几丁质”三明治结构,由于空气层厚度的不均匀,同一鳞片的不同区域产生的多层干涉峰峰位互不相同,在显微镜下表现为杂乱无章的反射色块,在宏观上则表现为白色,即宽带反射。研究同时发现,白色鳞片几丁质上层脊的外轮廓可以用二级贝塞尔曲线拟合,这一有趣的发现是贝塞尔曲线在生物光子学分析中的首次应用。其次,蝶翅腹面所测得的宽带反射具有很大的观察视角,但是其强度在鳞片的纵向和横向上存在差异。造成这种特殊角度依赖性的原因是鳞片上的脊和微孔在这两个观察方向上衍射效率的不同。但值得说明的是,微孔的宽度是随机化的,这种结构上的无序抹除了反射光沿鳞片纵向突兀的衍射级,避免了高角度下的分光效应,直接扩展了该方向上宽带反射的观察视角。进一步,该研究证实了这种银白色在蝴蝶热控行为中的重要作用。当尖翅银灰蝶张开翅膀时,深色的背面有助于吸收太阳光,当其闭合翅膀时,银白色的腹面又有助于反射阳光以避免获得过多的热量。实验测试表面蝶翅背面和腹面在模拟太阳光照下温度相差约2.4℃(真空中可达5.8℃)。这种不需要主动寻找避光环境的热调控行为无疑是一种更加节能和高效的策略。研究者相信该工作将为仿生材料在光、热、电磁波调控等领域的设计提供新的研究思路和设计原型。相关结果发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201900687)上。