新型透明螢幕仿生歐洲帽貝發光機制

 
2017/04/27 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
仿生歐洲帽貝發光機制的透明螢幕靠環境光線即可運作,將用於商業廣告或玻璃、電子、電器產品(圖片來源:王美乃)。 歐洲帽貝(Patella pellucida)會閃現藍光,是首例使用礦化無機物結構產生光學顯示的生物(圖片來源:歐陽盛芝)。
  • 仿生歐洲帽貝發光機制的透明螢幕靠環境光線即可運作,將用於商業廣告或玻璃、電子、電器產品(圖片來源:王美乃)。
  • 歐洲帽貝(Patella pellucida)會閃現藍光,是首例使用礦化無機物結構產生光學顯示的生物(圖片來源:歐陽盛芝)。
 

歐洲帽貝(Patella pellucida)只靠改變無機物質排列模式反射藍光產生色彩,不同於其他生物如鳥類、蝴蝶、和甲蟲的鮮豔色彩圖案都源自色素細胞、或幾丁質、鳥嘌呤等有機材料結構,是首例使用提供機械保護的礦化無機物結構而產生光學顯示的生物。美國科學家已解密歐洲帽貝殼的微結構和發光機制,未來可透過奈米製造技術,控制無機材料如碳酸鈣分子變化多種排列,就能在不同光照下呈現各種顏色圖案,開發無需發光體等內部光源、僅靠環境光線即可運作、顯示訊息時不會妨礙原有視野的仿生透明螢幕。

 

歐洲帽貝屬於腹足綱(Gastropoda)原始腹足目(Archaeogastropoda,現已改分至笠形腹足目Patellogastropoda)笠螺科或稱帽貝科(Patellidae),主要分布於東大西洋海岸從冰島、挪威、英國、到葡萄牙和加那利群島海岸的潮間帶和潮下帶,以足牢牢吸附海邊岩石棲息,或遊走沿岸海藻林進食並留下特殊圓形食痕。幼貝體長約2-5公釐,成貝體長約5-15公釐,身體扁平,半透明的殼薄而平滑、殼背隆起、殼底呈圓形或橢圓形,殼內為白色且具光澤,殼表呈角質色,有數條藍色虛線放射紋,在水中閃現耀眼藍光。

 

美國麻省理工學院馬蒂耶斯‧科勒(Mathias Kolle)助理教授與哈佛大學史蒂芬‧科勒(Stefan Kolle)博士合組研究團隊,調查歐洲帽貝的棲地和形態,發現可分成在海帶葉面具藍色條紋的薄殼族群、和躲藏在海帶基部幾無藍紋的硬厚殼族群,由於棲地附近存在四種有毒的海蛞蝓(Polycera elegansTrinchesia caeruleaFacelina auriculata、和Felimare cantabrica)具類似顏色圖案,因此推論薄殼族群的藍色條紋是一種偽裝海蛞蝓的擬態,用以嚇退捕食天敵,但躲藏在海帶基部的硬厚殼族群即使無藍紋仍能存活。

 

他們觀察到歐洲帽貝的藍色條紋在幼貝殼先出現不連續之斑點,隨著成長過程增長,且連接成長度不等的虛線紋,但寬度保持恆定(0.1-0.2公釐),這種條紋圖案、和從深藍色到綠松色的色調皆存在個體差異。當使用掃描式電子顯微鏡觀察,帽貝殼表的條紋區與其他區域在結構上完全相同,研究團隊因此認為條紋圖案來源可能出自殼的更深處特徵。

 

帽貝殼的主要成分是碳酸鈣(CaCO3),當使用穿透式電子顯微鏡觀察殼的縱剖面,在藍色條紋區域,殼的頂層和底層相對均勻,具有與其他種貝殼結構類似碳酸鈣片晶和薄的有機層緻密堆疊,因不同排列模式,自外至內可分為六層,包括不規則片層層(irregular lamellar layer)、光子多層(photonic multilayer)、膠體粒子層(colloidal particles layer)、交叉片層層(cross-lamellar layer)、棱柱層(prismatic layer)、和複合交叉片層層(complex cross-lamellar layer)。

 

不規則片層層下方10-20微米(μm=10-6m)處為光子多層區,由厚度113.0±11.2奈米(nm=10-9m)的方解石(calcite)片層,以52.8±7.0奈米規則間隔和144.4°±3.0°傾斜角度,構成鋸齒形圖案的多層結構,寬度配合藍色條紋寬度約100微米(0.1公釐),殼中心有40-60層,厚度約7-10微米,然後向周邊漸減片層數量,至殼邊緣最薄。通常薄片層間的空隙可能充滿水或低密度水合物,奈米級礦物橋會連接相鄰薄片,並以錯位連結片層邊緣,加強此結構的機械穩定性。但在藍紋以外區域,礦化結構單元緊密堆積,無任何明顯間隔。

 

膠體粒子層位於光子多層區下方,厚度約為5微米,由碳酸鈣粒子堆疊成球形膠體顆粒,隨機分散成無序排列,平均粒徑313±101奈米,寬度較光子多層略小,因此藍色條紋邊緣下方無膠體粒子,這層與光子多層形成雙重微結構的光學組合,可過濾陽光。研究團隊使用光學顯微鏡、光譜學、和繞射顯微鏡檢測,發現光子多層的優化結構能反射藍光和綠光,膠體粒子層可吸收其他波長的透射光,使反射的藍光和綠光更飽和艷麗。這種光學效應讓其反射的藍光強度,在位於水深10和20公尺處,仍達到在水面時的77%和60%,提供良好的顏色保真度,即使距離大於5公尺處,潛水員還可看到海帶上歐洲帽貝反射的藍光。且測試得知,當堆疊更厚的碳酸鈣分子或改變層間距離時,藍色條紋的顏色隨之變化。

 

這項研究成果已於2015年2月在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表,未來將可廣泛應用於商業廣告或車窗、門窗、家具、廚具、眼鏡、電子或電器設備透明結構等日常生活產品,可顯示地圖、導航資料、外部溫度等資訊,或能進行視訊通話和收發電子郵件,不會阻擋視野,甚至可研發利用頭部或基座傾斜就能改變材料厚度和間距的動態螢幕。

 

(以上新聞編譯自2015年2月26日發行之Nature Communications期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
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  • 來源:Li, L., S. Kolle, J. C. Weaver, C. Ortiz, J. Aizenberg, and M. Kolle. 2015. A highly conspicuous mineralized composite photonic architecture in the translucent shell of the blue-rayed limpet. Nature Communications, 6(6322): 7322-1-11 (+ 8 pp. Supplementary Information).
     
  • 延伸閱讀:
     
    • Graham, A. and V. Fretter. 1947. The life history of Patina pellucida (L.). Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom, 26 (4): 590-601.
    • Jennifer Chu. 2015. A mollusk of a different stripe : optical features embedded in marine shells may help develop responsive, transparent displays. MIT News, February 26, 2015.
    • Singer, M. 2015. Blue-rayed limpet holds secret for windscreen transparent displays with no internal light source. Market Business News, February 27, 2015.
    • Suzuki, M., J. Kameda, T. Sasaki, K. Saruwatari, and H. Nagasawa. Characterization of the multilayered shell of a limpet, Lottia kogaamogai (Mollusca: Patellogastropoda), using SEM-EBSD and FIB-TEM techniques. Journal of Structural Biology, 171(2): 223-230.
     
 
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