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豹變色龍變色機制啟發新型仿生變色材料

本篇介紹豹變色龍變換體色不是以往認為透過色素細胞的舒張和收縮控制,而是經由改變彩虹色素細胞內的光子晶體排列,影響光的折射產生變色,即化學物理色變色機制,由此研發出新型仿生變色材料,應用於螢幕顯示器、車輛、和建築等。
 
 
 

科學家已解謎馬達加斯加的特有種、能在30秒內變換豐富體色的豹變色龍(Furcifer pardalis)變色機制,推翻原有變色龍變色機制為化學色的學說,提出全新的化學物理色變色機制。這項發現啟發仿生新型變色材料,拉扯時僅輕微施力就可依需求變換顏色,將開創未來全新顯示與偽裝科技等應用的可能性。研究成果由瑞士日內瓦大學(University of Geneva)米林柯維奇(Michel Milinkovitch)和馬雷爾(Dirk van der Marel)教授合組的研究團隊,於2015年3月在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表。

 

生物表現的顏色可分成化學色(色素色)、物理色(結構色)和化學物理色(複合色)三大類。化學色靠如黑色素、血紅素、葉綠素、胡蘿蔔素等各種色素呈色;物理色由特定波長光線在奈米級結構發生散射、干涉或衍射等作用產生不同顏色;化學物理色則混合前兩類原理共同顯色。以往科學界認為變色龍皮膚具有垂直排列的數層色素細胞,每層控制特定顏色,透過色素細胞的舒張和收縮調和成不同的顏色,依光照、溫度、濕度等因素變換體色,以調節溫度、偽裝、迴避捕食者、吸引配偶或交流訊息,甚至用體色表達情緒或身體狀況。

 

但是瑞士的研究團隊卻發現豹變色龍皮膚真皮細胞表面具兩層重疊且相輔相成的彩虹色素細胞,內含變色主要關鍵的許多不同形狀、大小和排列的鳥嘌呤(guanine)「奈米晶體」(nanocrystals),這種奈米晶體屬於能控制光的週期結構,亦稱為「光子晶體」(photonic crystals)。其中S彩虹色素細胞(S-iridophores)層依情緒或光照可放鬆或繃緊皮膚,就能改變表層細胞中光子晶體三角形二維晶格距離和間距的排列,光的折射隨即變化,因而變換皮膚顏色。這層之下還有與變色無關、但能幫助豹變色龍保持涼爽的D彩虹色素細胞(D-iridophores)層,細胞內的光子晶體外形相對較大,卻能反射近45%的近紅外線輻射能量,調整這層細胞可瞬間改變對熱量的吸收能力,構成被動體溫調節機制,使豹變色龍能得以移往較為乾、熱、日照強烈的環境,生存於許多不同氣候環境。

 

豹變色龍又名豹紋變色龍、七彩變色龍、豹紋叉角避役,屬於爬蟲綱(Reptilia)有鱗目(Squamata)避役科(Chamaeleonidae),吻尾長(snout-tail length,指從嘴尖至尾尖間包括尾部的體長)約22-45公分,原始體色因產地而異,雌雄異型,雄龍體型較大,身體側扁,長尾如同第五隻足,攀爬時能捲曲纏繞樹幹或枝條定位,棲息於潮濕的低地森林,移動速度緩慢,但雙眼可自由轉向形成360度弧形視野;主要獵食昆蟲,能彈出長舌在瞬間(約0.003秒)擊中黏附50公分遠的獵物進食。

 

S彩虹色素細胞只在成年雄龍皮膚發育完全,雌龍和幼龍的皮膚含量很少,因此只有成年雄龍才會變色,變色主要基於情緒並透過潛意識控制,當欲吸引雌龍或遇競爭對手時即呈現顯著變化。當皮膚放鬆時,S彩虹色素細胞中直徑127.4±17.8奈米(nm=10-9m)的光子晶體因排列緊密,較易反射如藍色的短波長光線;但當皮膚緊繃時,光子晶體排列鬆散且間距增大約30%,變成較易反射如黃色、橙色、和紅色等長波長光線;當皮膚表層反射的藍色和黃色色素細胞混合時會變成可隱蔽在樹葉的綠色;若處於興奮狀態,即使具大量的彩虹色素細胞和紅色素細胞,皮膚表層仍會保持紅色色調不變,但會增加亮度。

 

D彩虹色素細胞層不參與顏色變化,存在所有性別和年齡的變色龍皮膚,細胞內的光子晶體長200-600奈米、高90-150奈米,排列不規則,呈較大磚形,由於在近紅外線區(700-1,400奈米)具高反射,可篩除多餘熱量。研究團隊也發現高冠變色龍(Chamaeleo calyptratus)、侏儒枯葉變色龍(Rhampholeon spectrum)、和雙角變色龍(Kinyongia matschiei)皆具有兩層彩虹色素細胞,但近親蜥蜴如彩虹鬛蜥(Aqama mwanzae)、鬃獅蜥(Pogona vitticeps)、和馬達加斯加巨日守宮(Phelsuma grandis)並無D彩虹色素細胞層,僅含可產生物理色的單一類型光子晶體彩虹色素細胞層。

 

加州大學柏克萊分校已根據豹變色龍的變色機制,開始應用研發依不同施力就可改變顏色的伸縮變色柔性膜,他們使用熱氧化物當硬模蝕刻,以氫氟酸蒸汽蝕刻基板釋放高對比亞結構(high-contrast metastructure,簡稱HCM),再用印模轉移法將矽HCM轉移到聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,簡稱PDMS)膜包封柔性HCM製成。未來可廣泛延伸發展,例如經由改變顏色就能偵測建築、橋樑、飛機零件因受壓造成結構疲乏等的變色感應器,也可應用於螢幕顯示器、車輛外觀的主動偽裝、冬季吸熱但夏季隔熱的房屋油漆或材料、變色以反射或傳輸從陽光捕獲熱量的建築設計(阿聯酋已有變色建築)、光照變色牆面或地毯裝潢、更有效的太陽能電池和光學電腦晶片設計、電子皮膚、開水壺、背包等。

 

(以上新聞編譯自2015年3月10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

 
  • Grbic, D., S. V. Saenko, T. M. Randriamoria, A. Debry, A. P. Raselimanana, and M. C. Milinkovitch. 2015. Phylogeography and support vector machine classification of colour variation in panther chameleons. Molecular Ecology, 24: 3455-3466 (+17pp. Supporting Information).
  • Hennigan, T. 2015. Chameleons’ color of divine wisdom. Answers in Genesis, April 18, 2015.
  • Zhu, J., J. Kapraun, J. Ferrara, and C. J. Chang-Hasnain. 2015. Flexible photonic metastructures for tunable coloration. Optica, 2(3): 255-258 (+ 3pp. Supplementary Material).
來源:
  • Teyssier, J, S. V. Saenko, D. van der Marel, and M. C. Milinkovitch. 2015. Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nature Communications, 6: 6368-1-7 (+6pp. Supplementary Information).
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