Прекрасные черные и синие бабочки

Джонатан Сарфати

Радужные синие

Некоторые бабочки имеют наиболее изумительную радужную синюю окраску крыльев, как например бабочка Морфо Менелай из Южной Америки и самец горной бабочки Парусник Улисс, обитающий в северной части Австралии.1 Как образуется этот поразительный синий цвет? Уже давно известно, что синий цвет образуется не с помощью пигментов, а некоторых оптических эффектов.

Рисунок 1. Слева: многослойная структура бабочки морфы под микроскопом. Справа: как свет отражается с разных поверхностей. Согласно работы: Интерференция в многослойных структурах, университет Эксетера, 25 января, 2005.

Читайте также: Божья радуга в живом цвете

В 2001 году, Пит Вукусик из университета Эксетера обнаружил, что лазурная окраска бабочек возникает благодаря оптической интерференции.2 Чешуйки на крыльях бабочки имеют многослойность, которая отражает световые волны, так что они проходят разные расстояния (см. рис. 1, справа). Дело в том, что при некоторых длинах волн, свет, отраженный с верхней и нижней поверхностей, будет проходить расстояние равное общему числу волн, так что вершины волн совпадают с вершинами других волн (см. рис. 2). Это называется усиливающей интерференцией, благодаря которой этот цвет (синий у этой бабочки) становится намного ярче и чище (см. рис. 3). Чтобы создать определенный цвет, толщина слоя должна быть точно в пределах примерно 0.05 мкм. Противоположным явлением является ослабляющая интерференция, при которой вершины волн совпадают с низшими точками, ослабляя друг друга (рис. 4).

Ученые учатся у «природы»

Иногда различные цвета можно увидеть благодаря интерференции, в зависимости от угла. Т.е. при более маленьком угле разница длины пути становится больше, поэтому длины волн под большим углом конструктивно интерферируют. Таким образом, обычные дифракционные решетки образуют красивые радужные эффекты, но не чистые цвета. Но крыло бабочки вдохновило ученых на создание таких модельных структур, которые выглядят насыщенно синими при широком диапазоне углов. Мул Гупта, директор Центра прикладных наук в университете Олд Доминион, расположенном в штате Виржиния, США, сказал:

“Мы начали исследовать крылья бабочек с помощью электронной микроскопии и увидели насколько сложные эти структуры и как трудно их имитировать. Поэтому мы придумали новый подход с использованием микрорешеток с хаотичной ориентацией, как способ для получения цвета с более широким углом наблюдения”.3

Поэтому ученые создали ячеистую структуру, состоящую из крошечных шестиугольников, каждый из которых имел дифракционные решетки с прорезами в разных направлениях (см. рис. 5, ниже). Они использовали технологию, которая называется электронно-лучевая литография (ЭЛЛ). В результате получилась структура, которая выглядела синего цвета, если на неё смотреть под углом 16–90°.4

Читайте также: Бог выразил Свою красоту в бабочках

В будущем эти методы можно использовать при создании устройств изображения, а также для замены окраски поверхностного слоя, таким образом, создавая лучшие цвета. Кроме того, это поможет избежать проблем, связанных с химическими отходами в производстве пигментов и красящих веществ.5

Голубые волнистые попугаи

Светло-синий цвет оперенья некоторых волнистых попугаев также является следствием интерференции. Но в этом случае интерференция вызвана эластичной структурой кератина - белок, из которого состоят перья (а также наша кожа и ногти).6 Ослепительные цвета хвоста павлина также являются результатом интерференции.7

Чернее черного

Черные пигменты выглядят черными, так как они поглощают все частоты видимого света. Однако, это не совсем так, потому что какая-то часть света отражается. Самый известный пример – луна. С Земли она выглядит серебристо-белой, но её поверхность в основном состоит из базальтовой породы черного цвета.

Хорошо известный эксперимент может продемонстрировать недостаток черных красок. Возьмите закрытую картонную коробку из-под обуви и покрасьте её в черный-пречерный цвет. Затем прорежьте в ней маленькую дырочку размером 1–2 мм. Эта дырочка будет выглядеть намного чернее, чем самая черная краска. Тогда как краска на коробке отражает какую-то часть света, свет, который входит в дырочку, почти никуда не девается. На самом деле именно поэтому зрачок глаза такой черный – он впускает свет, который обратно не выходит.

Совсем недавно доктор Вукусик показал, что черный контур бабочки Парусник Улисс также является результатом оптического дизайна, собирающего свет.8 Эта особая черная окраска почти в два раза чернее той, которая может быть достигнута с помощью одного лишь пигмента и в результате светло-синяя окраска выделяется на её фоне еще больше. Чешуйки покрыты крошечными ямками, шириной примерно один микрон, которые образуют ячеистую структуру в виде пчелиных сот.9 Эти чешуйки имеют высокий коэффициент преломления, так что они используют общее внутреннее отражение. Т.е. свет входит в материал, но как только он попадает на другую часть поверхности, вместо того, чтобы проходить дальше, он отражается в материал. (Таким образом работают оптические волокна, включая природные волокна губки Цветочная корзина Венеры.10) Поскольку свет практически не может отражаться от крыльев нам в глаза, крылья бабочки выглядят очень черными.

Остановка рефракционного эффекта

Доктору Вукусику удалось понять улавливающий свет дизайн крыла Парусника Улисса потому, что он хотел посмотреть, что будет, если как-нибудь остановить рефракционный эффект. Но как можно удалить этот эффект?

Преломление света (т.е. изменение его направления) и его отражение могут возникать на поверхностях между веществами, где скорость света внутри каждого вещества отличается, т.е. свет проходит медленнее через воду, чем через воздух, поэтому коэффициент преломления воды намного выше.11 Именно поэтому когда вы погружаете в воду прямую палочку, на поверхности воды она выглядит «согнутой». Если разные вещества имеют одинаковый коэффициент преломления, то свет ведет себя так, словно он вообще не меняется между веществами, так что отражение или преломление незначительное.

Это можно показать на примере с матовым стеклом. Поверхность матового стекла специально сделана шероховатой, чтобы свет рассеивался во всех направлениях на границе между стеклом и воздухом, в результате чего четкое изображение невозможно. Однако изображение МОЖНО было бы увидеть, если это рассеивание можно было бы прекратить. Один способ - нанести на матовое стекло вязкую жидкость, которая имеет примерно такой же коэффициент преломления, что и стекло, а затем покрыть гладким стеклом. В таком случае, когда преломления или отражения с поверхности матового стекла почти не происходит, через него можно увидеть четкое изображение. Доктор Вукусик применил этот же принцип к бабочкам. Он погрузил крылья в бромоформ (CHBr₃), который имеет примерно такой же коэффициент преломления, что и ткань крыла. В результате крылья могли поглощать только около 50% света, тогда как в воздухе они поглощают более 90% света.

Больше биомиметики

Инженер-химик Ричард Браун из Национальной физической лаборатории в английском городе Теддингтон, недалеко от Лондона, использовал этот принцип для создания покрытия под названием «Super Black». Это покрытие состоит из никель-фосфорного сплава с ямками, которые также используют преломление света. Это покрытие поглощает 99.7% света.

Это еще один пример того, как дизайн, наблюдаемый в природе, вдохновил инженеров. Доктор Вукусик говорит: ‘Биомиметика набирает популярность. Нам следует при любых обстоятельствах брать пример с природы’. В действительности это означает, что мы должны копировать гениальность Творца, которую Он вложил в природу.

Ссылки

1. Кардно, С. и Виланд, C., Мистер Бабочки, журнал Creation 19(2):44–46, 1997. Вернуться к тексту.
2. Вукусик, П., Семблс, Р., Лоуренс, К. и Векли, Г., Многослойные оптические эффекты в двух видах бабочек Парусников, журнал Applied Optics 40(7):1116–1125, 2001. Вернуться к тексту.
3. Грейдон, O., Синие микроструктуры имитируют природу, Optics.org, 8 декабря, 2003. Вернуться к тексту.
4. Вонг, T.Х., Гупта, M.К., Робинс, Б. и Левендуски, T.Л., Образование цвета в крыльях бабочек и имитирование подобных структур, журнал Optics Letters 28(23)2342–2344, 2003. Вернуться к тексту.
5. Лернер, E.Д., Синие бабочки, журнал The Industrial Physicist, , краткое изложение, апрель, 2004. Вернуться к тексту.
6. Прам, Р.O., Торрес Р.Х., Вильямсон С. и Дик Д., Рассеивание когерентного света бородками синих перьев, журнал Nature 396(6706):28–29, 1998; Двумерный анализ Фурье эластичного кератина структурно окрашенных бородок пера, Proceedings of the Royal Society London B 266:13–22, 1999. Вернуться к тексту.
7. Бургесс, С., Красота хвоста павлина и проблемы, связанные с теорией полового отбора, журнал Journal of Creation 15(2)94–102, 2001. Вернуться к тексту.
8. Бабочки измеряют глубину черного цвета с помощью световых трюков, журнал New Scientist 181(2433):18, 2004. Вернуться к тексту.
9. Хопкин, M., Бабочки могут похвастаться ультрачерными крыльями: насекомые используют оптический трюк, чтобы получить из черного пигмента черный-пречерный цвет, Nature science update, 28 января, 2004. Вернуться к тексту.
10. Сарфати, Д., Фантастическая оптика волокон: суперколючки губки, Журнал Creation 26(2):52, 2004. Вернуться к тексту.
11. . Коэффициент преломления (n) вещества выражается как n = c/v, где c – это скорость света в вакууме, а v – это скорость света в веществе. Вернуться к тексту.

www.creationontheweb.com