供稿人：馬偉剛 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-12-17
Cynandra opis蝴蝶原產(chǎn)于熱帶非洲，它們的翅膀擁有絢麗的色彩，之所以能夠產(chǎn)生絢麗的色彩，是因為該蝴蝶翅膀上的多層光柵結(jié)構(gòu)能夠與光相互作用，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性著色，當以規(guī)定的角度進行照明和觀察時，這種結(jié)構(gòu)顏色具有異常的純度和亮度。
為了進一步了解結(jié)構(gòu)著色的機理，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院與廣州國際生物島實驗室的研究人員利用雙光子3D打印技術(shù)，制造出了彩色的納米結(jié)構(gòu)，其光學(xué)特性可以通過光柵特征的高度和周期的變化來控制。
首先，研究人員對Cynandra opis蝴蝶的特定部位進行了顯微觀察，并對觀察到的光柵結(jié)構(gòu)進行了簡化與重建，如圖1所示。對于雄性C.opis蝴蝶，在翅膀的特定區(qū)域觀察到深藍色（圖1A），如這些區(qū)域的掃描電子顯微鏡（SEM）成像所示（圖1B，C），彩虹藍色是由交叉雙光柵狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。這里，脊陣列形成第一個衍射面（平面1），而該平面下方的十字肋板形成第二個衍射面（平面2），這種結(jié)構(gòu)由兩個正交光柵組成，可以在x和y方向上衍射光。研究人員使用簡化的bigrating結(jié)構(gòu)（圖1D）模擬了在C.opis翅膀中發(fā)現(xiàn)的交叉雙光柵結(jié)構(gòu)。圖1E為結(jié)構(gòu)著色示意圖，圖1F顯示了3D打印的bigrating結(jié)構(gòu)的SEM圖像。
圖1 Cynandra opis蝴蝶蝶翼的顯微結(jié)構(gòu)組成及其重建
接著研究人員研究了入射角、周期、高度、周期比以及高度比分別對結(jié)構(gòu)著色的影響，研究表明，特征周期和高度的變化在控制色調(diào)和純度方面起著核心作用，通過調(diào)整bigrating結(jié)構(gòu)的周期或高度，可以成功的展示色調(diào)和純度變化的結(jié)構(gòu)顏色，這在廣泛的實際應(yīng)用中是可取的。
圖2 在表面結(jié)構(gòu)形成過程中，溫度場（彩色表面輪廓）、流場（彩色箭頭圖）和表面輪廓的演變圖
最后，為了實現(xiàn)“全光譜”結(jié)構(gòu)色的目標，研究人員打印了一種結(jié)構(gòu)調(diào)色板陣列，以研究其光學(xué)特性隨放大周期的變化。通過系統(tǒng)地改變光柵周期，同時保持光柵高度恒定，能夠生成跨越可見范圍的完整調(diào)色板顏色像素，如圖2A所示，每個正方形的尺寸為120μm×120μm。圖2B為一幅彩色油畫的圖像，圖2C為該油畫的結(jié)構(gòu)彩色打印，該打印說明，大規(guī)模全光譜結(jié)構(gòu)彩色打印可以成功復(fù)制包含三種基本顏色的復(fù)雜混合顏色的大型繪畫，且由于光聚合打印過程的性質(zhì)，相鄰色塊之間的顏色過渡呈現(xiàn)黑色。
此外，研究人員還指出，納米結(jié)構(gòu)著色可以取代當今印刷和繪畫中使用的顏料。與傳統(tǒng)顏料相比，它們持續(xù)時間更長，因為它們在光照下不會褪色，而且更加環(huán)保。