科學(xué)家從蝴蝶翅膀鱗片的蛻變中尋找到新型光熱管理材料的靈感
文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-09-09 15:22:31
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麻省理工學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)出觀察蝴蝶翅膀鱗片蛻變的方法，發(fā)現(xiàn)鱗片脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)通過(guò)屈曲過(guò)程形成，有助于理解鱗片機(jī)械特性，并可能為新型光熱管理材料設(shè)計(jì)提供應(yīng)用前景。 一、色彩的奧秘：化學(xué)色與結(jié)構(gòu)色的對(duì)比 在自然界的色彩范疇中，主要存在化學(xué)色與結(jié)構(gòu)色這兩大類(lèi)別。 化學(xué)色是通過(guò)特定色素分子對(duì)光的吸收與反射來(lái)展現(xiàn)顏色。這種方式雖賦予了生物體豐富多樣的色彩，但存在明顯弊端。因?yàn)槠漕伾谏?，一旦色素流失或發(fā)生改變，顏色就會(huì)褪色、變色，缺乏持久穩(wěn)定性。 而結(jié)構(gòu)色與傳統(tǒng)顏料或染料有本質(zhì)區(qū)別。它源于生物表面結(jié)構(gòu)對(duì)光的反饋，在微納尺度上，光與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生獨(dú)特光學(xué)效應(yīng)。這種色彩更為鮮艷，且具備顯著優(yōu)勢(shì) —— 具有恒久性、潔凈且環(huán)保。  二、自然的奇跡：結(jié)構(gòu)色在自然界的呈現(xiàn) 自然界中最鮮艷的顏色多為結(jié)構(gòu)色的成果。例如孔雀羽毛與蝴蝶翅膀，它們絢麗的色彩是通過(guò)微觀納米結(jié)構(gòu)生成的。這些顏色鮮艷明亮，且會(huì)隨光線入射角度和觀察者位置的變化而改變，具有復(fù)雜的光學(xué)特性且難以復(fù)制。只要其周期性結(jié)構(gòu)保持不變，結(jié)構(gòu)色就能維持不褪色的特性，展現(xiàn)出持久的美感。 1. 蝴蝶翅膀鱗片的構(gòu)造與特性 蝴蝶翅膀堪稱(chēng)大自然的精妙之作。翅膀上覆蓋著大量細(xì)小的鱗片，這些鱗片在結(jié)構(gòu)與功能上都有獨(dú)特之處。單個(gè)鱗片雖微小，但具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其表面有波紋狀的脊。這些脊在吸水、散熱和反射光等方面發(fā)揮著重要作用，使得蝴蝶翅膀呈現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)效果。 麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)創(chuàng)了一種用于觀察和成像蝴蝶翅膀蛻變過(guò)程中鱗片發(fā)展的方法。他們發(fā)現(xiàn)鱗片的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)是通過(guò)一種稱(chēng)為屈曲的過(guò)程形成的。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)深入理解鱗片形成的機(jī)械特性意義重大，同時(shí)也為設(shè)計(jì)新型光熱管理材料提供了潛在應(yīng)用前景。 2. 蝴蝶翅膀鱗片的發(fā)育過(guò)程 研究人員利用先進(jìn)的成像技術(shù)，成功捕捉到蝴蝶蛻變過(guò)程中單個(gè)鱗片開(kāi)始形成脊?fàn)罨y的初始瞬間。通過(guò)連續(xù)拍攝單個(gè)鱗片從翅膜生長(zhǎng)出來(lái)的圖像，首次展示了鱗片從光滑表面起皺，形成微小平行起伏的過(guò)程。這些波紋狀結(jié)構(gòu)最終發(fā)育成精細(xì)的紋脊，而這些紋脊決定了成年鱗片的功能。 研究表明，鱗片向波紋表面的轉(zhuǎn)變可能是 “屈曲” 機(jī)制在起作用。“屈曲” 是一種描述光滑表面在密閉空間內(nèi)生長(zhǎng)時(shí)起皺的機(jī)制。正如麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授馬蒂亞斯 - 科勒所說(shuō)：“屈曲是一種不穩(wěn)定性，但生物體利用它來(lái)啟動(dòng)這些復(fù)雜功能性結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。” 研究小組正努力對(duì)蝴蝶翅膀生長(zhǎng)的更多階段進(jìn)行可視化。他們期望從大自然中獲取智慧，為設(shè)計(jì)先進(jìn)功能材料提供更多線索。“鑒于蝴蝶鱗片的多功能性，我們希望了解并仿效這些過(guò)程，從而可持續(xù)地設(shè)計(jì)和制造新型功能材料。這些材料將具備量身定制的光學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)和機(jī)械特性，適用于紡織品、建筑表面、車(chē)輛等眾多領(lǐng)域，只要是需要依賴(lài)微觀和納米級(jí)結(jié)構(gòu)特性的表面都可應(yīng)用。” 科勒補(bǔ)充道。  3. 蝴蝶翅膀生長(zhǎng)細(xì)節(jié)的捕捉 2021 年，研究人員開(kāi)發(fā)出一種新方法，可連續(xù)捕捉蝴蝶蛻變過(guò)程中翅膀生長(zhǎng)的微觀細(xì)節(jié)。他們小心地切開(kāi)昆蟲(chóng)薄蛹，剝開(kāi)一小塊角質(zhì)層，露出翅膀生長(zhǎng)的薄膜。然后在暴露區(qū)域放置一個(gè)小玻璃片，再運(yùn)用特定的顯微鏡技術(shù)，連續(xù)獲取鱗片從翅膀膜中生長(zhǎng)出來(lái)的圖像。 他們選擇小紅蛺蝶進(jìn)行觀察，因?yàn)檫@種蝴蝶的鱗片結(jié)構(gòu)在鱗翅目昆蟲(chóng)中具有代表性。觀察發(fā)現(xiàn)小紅蛺蝶的鱗片沿著翼膜精確地重疊生長(zhǎng)。這些圖像為科學(xué)家們提供了迄今為止在微觀尺度上最連續(xù)的活體蝴蝶翅鱗生長(zhǎng)的可視化圖像。 4. 紋脊發(fā)育機(jī)制的探索 在新的研究中，研究小組將重點(diǎn)放在鱗片發(fā)育過(guò)程中的特定時(shí)間窗口，旨在捕捉活體蝴蝶單個(gè)鱗片上精細(xì)脊的最初形成過(guò)程。他們知道，這些沿著單片鱗片長(zhǎng)度方向平行排列的脊賦予了翼鱗多種功能。 由于此前人們對(duì)這些脊的形成機(jī)制知之甚少，麻省理工學(xué)院的研究小組致力于記錄正在發(fā)育的活蝴蝶體內(nèi)脊的連續(xù)形成過(guò)程，并嘗試破譯這種生物體的脊形成機(jī)制。 5. 脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)形成原因的研究 是什么原因?qū)е伦畛醯纳郊挂跃_的排列方式出現(xiàn)呢？研究人員懷疑是屈曲在起作用。屈曲是一種機(jī)械過(guò)程，當(dāng)材料受到壓縮力時(shí)會(huì)向內(nèi)彎曲，類(lèi)似于一個(gè)空汽水罐從頂部向下擠壓時(shí)的彎曲情況。在材料生長(zhǎng)過(guò)程中，如果受到約束或被固定，也會(huì)發(fā)生彎曲。 科學(xué)家們注意到，當(dāng)蝴蝶鱗片的細(xì)胞膜生長(zhǎng)時(shí)，它在某些地方會(huì)被肌動(dòng)蛋白束固定。肌動(dòng)蛋白束是在生長(zhǎng)的細(xì)胞膜下運(yùn)行的長(zhǎng)絲，在鱗片成形時(shí)起到支撐作用?？茖W(xué)家們推測(cè)，肌動(dòng)蛋白束對(duì)生長(zhǎng)膜的約束作用與特定的物理機(jī)制相關(guān)。隨著蝴蝶翼鱗的生長(zhǎng)，翼鱗在底層肌動(dòng)蛋白絲之間隆起，以彎曲的方式形成鱗片最初的平行脊。  為了驗(yàn)證關(guān)于脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)形成的想法，麻省理工學(xué)院的研究小組研究了一個(gè)描述屈曲一般力學(xué)原理的理論模型。他們將圖像數(shù)據(jù)，如測(cè)量鱗片膜在不同發(fā)育早期階段的高度以及橫跨生長(zhǎng)膜的肌動(dòng)蛋白束的不同間距等信息加入到模型中。然后，將模型時(shí)間向前推移，觀察其機(jī)械屈曲的基本原理是否會(huì)產(chǎn)生與實(shí)際蝴蝶中觀察到的相同的脊?fàn)顖D案。 通過(guò)這種建模方式，研究人員發(fā)現(xiàn)從一個(gè)平坦的表面可以變成一個(gè)起伏更大的表面。從力學(xué)角度來(lái)看，這表明膜的屈曲很有可能是形成這些有序脊的起因。 三、自然的啟示：對(duì)材料科學(xué)的影響 麥克杜格爾指出：“我們希望從大自然中學(xué)習(xí)，不僅要學(xué)習(xí)這些材料的功能，還要學(xué)習(xí)它們的形成方式。” 例如，如果要制造一個(gè)褶皺的表面，這在很多應(yīng)用中都很有用，那么從蝴蝶鱗片的形成過(guò)程中可以得到啟示，有兩個(gè)可調(diào)節(jié)的因素來(lái)定制這些表面的褶皺方式?？梢愿淖児潭ú牧系拈g距，也可以改變固定部分之間材料的生長(zhǎng)量，而蝴蝶在其鱗片形成過(guò)程中同時(shí)運(yùn)用了這兩種策略。 在材料科學(xué)領(lǐng)域，大自然是最好的老師。從蝴蝶翅膀鱗片的結(jié)構(gòu)色形成及其獨(dú)特的生長(zhǎng)機(jī)制中，我們獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和靈感。這不僅為我們?cè)O(shè)計(jì)新型材料提供了新的思路，也讓我們對(duì)自然界的奧秘充滿(mǎn)了敬畏與探索的渴望。 四、未來(lái)的展望：基于自然的材料科學(xué)新征程 隨著對(duì)蝴蝶翅膀結(jié)構(gòu)色以及鱗片形成機(jī)制研究的不斷深入，我們仿佛開(kāi)啟了一扇通往新世界的大門(mén)。未來(lái)，基于這些自然原理設(shè)計(jì)出的新型材料有望在各個(gè)領(lǐng)域大放異彩。 在建筑領(lǐng)域，具有結(jié)構(gòu)色的材料可使建筑物外觀隨光線變化呈現(xiàn)不同色彩，既美觀又環(huán)保。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，這種材料應(yīng)用于車(chē)身，可減少傳統(tǒng)油漆使用，降低環(huán)境污染，同時(shí)根據(jù)不同光線條件改變車(chē)身顏色，增加車(chē)輛獨(dú)特性。 在時(shí)尚領(lǐng)域，設(shè)計(jì)師們可利用結(jié)構(gòu)色設(shè)計(jì)出永不褪色的服裝和飾品，使時(shí)尚更加可持續(xù)。在光學(xué)領(lǐng)域，新型光熱管理材料的開(kāi)發(fā)可提高光學(xué)設(shè)備的性能和效率。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_557093.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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