X射线揭示了蝴蝶翅膀中产生颜色的光子晶体

科学家使用X射线来发现是什么产生了一种蝴蝶效应：昆虫翅膀上的微观结构如何反射光线，使其看起来像眼睛的绚丽色彩。

今天发表在Science Advances上的结果可以帮助研究人员模仿反射涂层，光纤或其他应用的效果。

我们早就知道，蝴蝶，蜥蜴和蛋白石都使用称为光子晶体的复杂结构来散射光线并创造出独特的彩虹色外观。但是，我们对这些天然结构如何生长的细节以及它们在非常非常小的尺寸上看起来的样子知之甚少 - 以及我们如何窃取他们的秘密来制造我们自己的技术。

能源部科学办公室用户设施Advanced Photon Source的强大X射线显微镜为加利福尼亚大学圣地亚哥分校，耶鲁大学和能源部阿贡实验室的科学家提供了这样的观点。

他们从生动的绿色Kaiser-i-Hind蝴蝶Teinopalpus imperialis中取出一小片翼鳞，然后进行X射线研究以研究光谱晶体的组织。

在尺寸太小而不能被人眼看到的情况下，尺度看起来像一个平面拼凑图，其中有一些格子或“域”，它们组织严密但方向略有不同。

“这解释了为什么尺度似乎只有一种颜色，”UC-San Diego的Andrej Singer说道，他领导了这项工作。“我们还发现了微小的晶体不规则性，可以增强光散射特性，使蝴蝶翅膀看起来更亮。”

这些偶然的不规则性表现为域的边缘彼此相遇的缺陷。

“我们认为这可能表明缺陷是由于形成蝴蝶翅膀的甲壳质分子的手性 - 左手或右手 - 而产生的，”共同作者，纳米尺度中心的X射线物理学家Ian McNulty说。 Argonne的材料，也是DOE科学用户设施办公室。

他说，以前从未见过这些晶体缺陷。

缺陷听起来好像是一个问题，但它们对于确定材料的行为非常有用 - 例如，帮助它散射更多的绿光，或者以其他有用的方式集中光能。

“有趣的是要知道这是否是这些事物的生物模板的故意结果，以及我们是否可以设计类似的东西，”他说。

这组作者说，这些观察结果，包括两个不同类型的领域之间的界限，可以更清楚地说明这些结构如何自我组装，以及我们如何模仿这种增长来为我们自己的材料提供新的属性。

XN射线研究提供了独特的外观，因为它们是非破坏性的 - 其他显微镜技术通常需要将样品切成纸薄层并用染料染色以形成对比，McNulty说。

“我们能够完整地绘制整个三微米厚度的尺寸，”McNulty说。

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