生物体“超负角色散”现象及结构色研究

结构颜色来源于光子结构对可见光的调制。它拥有不褪色、饱和度高和绿色环保等优点，在色彩工业等领域具有巨大的应用前景。现有的研究表明，生物体对可见光的角色散能力都源于光栅衍射，其光学性质可由传统衍射光栅理论所确定。然而，我们在生物体中发现一种奇异衍射- - "超负角散射"，这种衍射和生物体表面形貌共同作用，使得生物体表现出一种独特的生物结构颜色。本项目将从该生物体中发现的三维光子结构入手，基于它的三大特点- - 大基矢对比、弱折射率对比和部分方向结构短程序，利用理论推导、数值模拟和实验测量的手段，研究不同结构参数对构色的影响，鉴别"超负角色散"中的衍射、负角色散及大角色散率的物理来源，探索这类生物体表面几何性质对结构颜色构色的作用。该项目将深化光子结构对可见光光谱调控机制的认识，丰富拓展结构颜色的研究，研究结果还将在人工构色、新型光色散元件的设计与制备等领域具有很好的应用前景。

项目按照计划顺利结束。本项目针对在花金龟科甲虫H.sexmaculata和T. flammea中发现的特异光衍射现象及其构色进行了系统研究。这种特异衍射具有两种鲜明的特质：大角色散和负角色散。通过光学测量，这类甲虫的分光能力比传统光栅大约一个量级，达到1度/纳米；更加特别的是，相比光栅色散，这种甲虫鞘翅上发现的色散具有相反的特性，具体地说，就是短波长的光被衍射向更大的角度。这种特异的光学性质可以被归因为甲虫鞘翅内包含的光子结构。通过SEM和TEM观察，我们在鞘翅中发现了三维光子结构。这种光子结构可以被认为由一维多层膜复合二维纳米柱结构。其中，二维柱状结构排列短程有序，长程无序。理论研究表明，这种三维光子结构可以被看成是一系列拥有不同晶格常数的光子晶体的集合。而该种结构光子晶体支持多层膜能带和二维光栅能带。这两种能带重合时将会发生反交叉现象，产生具有衍射性质的能隙。不同的光栅常数将会对应于能带在不同位置发生交叉，因此不同波长的光线将会被衍射，衍射的角度与波长成反比。另一方面，多层膜能带的移动也必然导致衍射峰位的移动，我们在对甲虫T. flammea种间颜色差异的研究中发现，鞘翅表现的红、绿或蓝色与多层膜周期紧密相关。非常有趣地是，多层膜周期对衍射波长的影响比光栅常数对衍射波长的影响要敏感的多。昆虫采取了一种非常聪明且有效的策略来调控种间颜色。根据这些系列研究成果，我们设计构造了人工新型光子结构，这种结构可以实现波长可调的大角色散分光。研究结果丰富了自然结构色的研究内容，揭示了超负角色散现象的形成机制，为新型分光器件的设计和制备提供了切实可行的研究灵感和思路，研究具有重要的科学意义和应用价值。