蝴蝶翅膀在SEM下观察无色，它具有什么样的微观结构？

科研人员设计了一个有趣的实验:操作扫描式电子显微镜，观察蝴蝶的翅膀。通过这台可以看清纳米尺度物体三维结构的显微镜，人们惊奇地发现：原本色彩斑斓的蝴蝶翅膀竟然失去了色彩，显现出奇妙的凹凸不平的结构。原来，蝴蝶的翅膀本是无色的，只是因为具有特殊的微观结构，才会在光线的照射下呈现出缤纷的色彩。结构性色彩（structural color）不同于色素色彩（pigment color）。色素色彩的变化主要来源于对不同频率光的吸收，而结构性色彩，其原理是利用周期性结构，即光子晶体，对光的反射、透射等进行调控。先说光子晶体，它最大的特点是存在禁带，即在特定频率段内，光是不能传播的。所以可以利用这点来反射特定频率的光，起到调控色彩的目的。相对于色素色彩，结构性色彩具有更高的调控光的效率，这是生物进化的神奇结果。一般来说，光子晶体可以分为一维、二维、三维，所以自然界中也存在这三种纳米周期光学结构。见下图，其中A、B、C是一维光子晶体，D、E是二维光子晶体，F、G是三维光子晶体。实际上，单纯地调节颜色，一维的光子晶体就够了，但是生物进化还是发展到了二维和三维光子晶体。对于这个问题，科学家也没有给出比较明确的答案。但是二维的光子晶体还有另外一个优势，那就是疏水性。此外，有些生物还可以改变身体的颜色，实际上，也是通过调控周期结构的周期来改变的，鱼通过改变细胞的体积来改变颜色，图B的小虫子通过收缩或者扩展翅膀来改变颜色。实际上变色龙也是基于这个道理改变颜色的。

1. 邱兆美.蝴蝶鳞片微观结构与模型分析[J].农业机械学报，2009；

2. 关会英.典型蝴蝶鳞片结构色形成机理及其微观结构研究[D].吉林大学，2007

首先，我们准备好样本一只绿带翠凤蝶，一只尖钩粉蝶。以绿带翠凤蝶为例，它的翅膀上主要分布了黄绿色，绿色，紫色、蓝色以及暗棕色。选取其后翅和翅尾部分在光学显微镜下观察，可以看到蝴蝶翅膀上有一层层的覆盖物，这些覆盖物呈片状分布，且像房顶瓦片一样排列有序，在光学显微镜下有的呈现出鲜艳的紫色、蓝色，有的呈暗棕色，如图一所示，而这一层层排列有序的片状覆盖物，实则为蝴蝶鳞片，也称为鳞粉，由于其易脱落的特性，通常会沾染到碰触者手上，同时，鳞片也是蝴蝶翅膀绚丽多彩的原因。 

接下来，我分别选取绿带翠凤蝶和尖钩粉蝶翅膀上部分鳞片在ZEISS Gemini 500 SEM下观察，由于蝴蝶翅膀不导电，先对其进行喷金处理，用到的设备为Gatan PECS 685.C（精密Ar离子抛光镀膜仪），其中绿带翠凤蝶翅膀上鳞片分布如图二所示。

与光学显微镜照片对比可以发现， 绿带翠凤蝶翅膀上的鳞片结构主要有两种，一种鳞片端部圆滑无齿裂，肉眼观察呈鲜艳色；另一种为基层多齿鳞片，肉眼观察为暗棕色。

对两种鳞片放大后观察可以看到，其均具有表面非光滑形态，且鳞片表面都有纵向平行周期分布的脊脉，脊脉与脊脉间的间隔基本保持固定，其中 图三所示端部圆滑无齿裂的鳞片，两脊脉间分布着凹坑形的结构，图四所示基层多齿鳞片，脊脉与脊脉间结构呈网格状分布。

与绿带翠凤蝶相同，尖钩粉蝶的翅膀上也分布着两种鳞片，如图五所示，端部圆滑无齿裂与端部多个齿裂鳞片，同样两种鳞片表面脊脉均平行等间距分布，且脊脉间横肋呈平行网格状分布。

蝴蝶翅膀的颜色来源于翅膀上的一个个鳞片，每一个鳞片相当于一个色素点，蝴蝶鳞片显色的原因主要分为三大类：

1.  色素色， 又称化学色，是一种由鳞片内部存在某些化合物造成的，也是自然界昆虫着色的基本形式，这些化合物吸收某种波长光波，反射其他光波从而形成各种颜色。

2.  结构色， 又称物理色，由鳞片具有的特殊结构引起，这些结构能够使光线发生折射、反射、衍射或干涉，从而产生的各种颜色。除蝴蝶外，甲虫体壁表面的金属光泽和闪光等也是典型的结构色。

3.  混合色， 又称化学物理色或综合色，很多种类的蝴蝶都同时具有化学色和物理色，两者混合在一起，即翅膀上同时具有色素颗粒和物理结构。

针对以上蝴鳞片显色的原因，利用实验室现有的设备，我决定对蝴蝶鳞片进行大解（fen）剖（xi），主要利用FIB（ZEISS Crossbesm540），分别对绿带翠凤蝶和尖钩粉蝶两种不同的鳞片的内部构造进行分析，其中第一列为端部圆滑鳞片，第二列为端部多齿鳞片，如图六所示，截面切后发现，绿带翠凤蝶端部圆滑鳞片截面为由约7对空气介质层与壳质材料组成的多层膜结构，相同介质膜层形态、尺寸、间距等基本相同，也正是因这种层状结构使入射光发生多层膜干涉而显色；尖钩粉蝶端部圆滑鳞片截面则类似塔层状，有研究人员通过对其反射光学性能测试发现，其所显黄色来自于色素的选择性吸收，该色素主要吸收紫外波段及蓝光波段，而端部多齿鳞片截面结构则没有特征结构。

我在对绿带翠凤蝶制样后，对其他部位也进行了SEM观察，发现蝴蝶翅膀上还有一根根长长的绒毛，放大后观察绒毛是圆柱状的，且由平行间隔的脊脉与横肋交织包裹而成，如图七所示。

同时，蝴蝶翅膀上一个个鳞片都像一把小扇子，每把扇子下面都有个把手，通过把手一把把小扇子插在了蝴蝶皮肤上一个个圆孔里，如图八所示。

不积珪步，无以至千里；不积细流，无以成江海。做好每一份工作，都需要坚持不懈的学习。

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