论文摘要
自然界中生物的颜色来源于色素或者结构,由色素产生的颜色称为色素色,即化学色;由结构产生的颜色称为结构色,又被称作为物理色。所谓结构色,就是与光线波长相当的微观结构通过干涉、衍射、散射等途径对入射光线产生特定波长特定方向的反射而产生的颜色。相比于色素色,结构色具有色彩饱和度高、结构不变永不褪色、绿色环保等优点。同样,自然界中的变色也可以分为色素变色和结构变色,自然界绝大多数的变色来源于色素改变,结构变色的研究相对较少。研究生物的结构色不仅可以揭示其产生的物理机理及调控策略,还能为光子结构的设计和制备提供有价值的思路。本文的第一章对颜色的背景知识作了一个简单介绍;对结构色的研究现状特别是最近时期结构色研究所取得的进展进行了回顾和介绍;同时也对人类,鸟类和昆虫色觉作了简单介绍和比较。第二章主要就在结构色研究中用到的实验方法和理论方法作了简单的介绍。接下来的三章,主要介绍三项基于鞘翅目甲虫颜色的独立研究工作。前两项是关于结构色研究,最后一章则是关于结构变色的一种新机制的研究。在第三章中,通过对黯翅绿拟叶甲的黯淡色彩的研究,我们发现该种甲虫颜色来源于其鞘翅表面微观三维碗状结构不同区域产生的青色和绿色的混合构色。青色和绿色都来源于鞘翅中的多层周期系统,不同区域不同的结构参数是造成颜色差异的原因。其黯淡色彩是由表面三维碗状结构对光线在空间上的散射所造成。黯翅绿拟叶甲这种构色策略可能为伪装工业提供很好的设计与制备思路。第四章,我们介绍了六点花金龟的构色策略。这种甲虫通过三维光子晶体对光线的调制,使得光线在镜像方向、背反射方向和衍射方向均有出射,它的桔红色调和绿色色调实际上均来自于一定立体角内各个出射方向光线的综合效应,不同的是前者是小立体角范围内光线的综合,后者是大立体角范围光线的综合。在漫反射光条件下,颜色对角度的变化并不敏感。我们认为六点花金龟可能通过这种构色策略在种间传递信息或进行种间识别。第五章,通过对天牛Tmesisternus isabellae在干湿不同状态下可逆的颜色变化机理研究,我们首次发现了自然界以水为触发机制的一维可调光子晶体。天牛Tmesisternus isabellae的颜色来源于其鞘翅表面的小绒毛,这些绒毛是亲水的。在湿润状态下,绒毛的内部微结构,即构成一维光子晶体的黑素蛋白层将会发生溶胀,而周期的变大导致了颜色的变化。这种结构变色的机制不同于已知的其他结构变色机制。