仿生合成奈米蛛毛的非炫彩結構色

 
2017/07/21 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     788
 

美國科學家模仿捕鳥蛛(tarantulas)蛛毛的結構色,以3D列印製造花朵形奈米結構的仿生合成奈米蛛毛原型,開發出非炫彩結構色,不僅創造新的色彩技術,並且幾乎消除炫彩現象,發明非炫彩結構色的新型複合材料,可取代化學色染料,應用於紡織品、化妝品、油漆、包裝材料、物體外殼等,豔麗、永不褪色,也能運用於電視、手機、和電腦螢幕等,降低眩光和反射,達到各角度視野舒適清晰。研究成果由艾克朗大學(University of Akron)布萊克利奇(Todd A. Blackledage)教授與加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego)合組的研究團隊發表於2015年11月《科學進展》(Science Advances)期刊。

 

捕鳥蛛是兇猛有毒大型多毛蜘蛛,善跑能跳、行動敏捷,足展超過10公分,體長可達10-25公分,分泌毒液以毒牙麻痺或毒死獵物後進食,因捕食像蜂鳥般小型鳥類而得名,又名大蘭多毒蛛,屬於節肢動物門(Arthropoda)蛛形綱(Arachnida)蜘蛛目(Araneae)捕鳥蛛科Theraphosidae),全身密佈細毛,展現生動且不會隨視角變化而改變強度或色調的藍色。蛛毛除能防水和防寄生蟲外,還能偵測細微的空氣震動和禦敵,有些種類遇到威脅時會翹起腹部對準天敵,以後足摩擦腹部背面蛛毛形成毛霧,將含尖刺的細毛刺入天敵體表或皮膚,或使用毒牙攻擊,以嚇阻天敵。

 

結構色普遍存在某些昆蟲體壁、蝴蝶翅膀、和鳥類羽毛等,會因結構差異、光線射入角度、和觀看角度等改變,呈現不同的顏色變化,這種在某個視線範圍反射單一色彩,換個角度就看到不同顏色的現象稱為「炫彩」。捕鳥蛛毛的藍色屬於結構色,不會被光線破壞也不會褪色,光學原理是光譜中不同波長的光照射到小於一微米(μm=10-6m)的物理結構,引起散射、繞射、或衍射等作用,形成眼睛看到的閃爍色彩。

 

研究團隊採用譜系重建(phylogenetic reconstruction,演化樹重建)、電子顯微鏡、顯微分光光度測定法(microspectrophotometry)、和光學建模等技術,研究和比較10科7亞科53屬呈現藍色的捕鳥蛛之親緣關係、蛛毛的奈米結構圖案多樣性、及藍色非炫彩結構色產生機制,根據分類上的親緣關係所得到的演化樹顯示,至少有一種捕鳥蛛具有由黃、橙、紅、棕、和黑色色素產生的顏色,其中7亞科40屬同時也具有藍色,只有12屬顯示綠色,可見藍色較常見,因此假設藍色是遠祖時期存在的特徵,證實至少經過8次獨立演化。

 

他們選用8種捕鳥蛛進一步觀察蛛毛顯微構造,包括智利藍腿美人(Euathlus pulcherrimaklaasi)、紫樹食鳥蛛(Tapinauchenius violaceus)、委內瑞拉紅綠橙(Chromatopelma cyaneopubescens)、新加坡藍(Lampropelma violaceopes)、法屬圭亞那藍牙(Ephebopus cyanognathus)、波多黎各金粉趾(Avicularia laeta)、藍寶石華麗雨林(Poecilotheria metallica)、和智利紅玫瑰(Grammostola rosea),發現可分成光滑棒狀毛、棒狀的花朵形突起對稱毛、和不規則/擬刀形的突起不對稱毛等三類。蛛毛的奈米結構分為準有序(quasi-ordered)海綿及有組織多層結構,其中多層結構是由幾丁質-蛋白複合材料構成折射率(refractive index,簡稱nr)約1.63的高電子密度材料,與由空氣形成的低電子密度材料交替組成。即使這8種捕鳥蛛毛的奈米結構均有差異,卻經趨同演化呈現出近似的藍色。

 

跨種測量8種捕鳥蛛單根藍色蛛毛的反射光譜,結果反射峰值(reflectance peaks)是450±21微米,變異係數(coefficient of variation,簡稱c.v.)為4.65%;鱗翅目(Lepidoptera)灰蝶科(Lycaenidae)眼灰蝶屬(Polyommatus)蝴蝶藍色鱗片的反射峰值分布在400-500微米。他們比較文獻中出現藍色的其他物種,包括5種蛺蝶科(Nymphalidae)閃蝶屬(Morpho)、3種其他科蝴蝶,和1種燕蛾科(Uraniidae)燕蛾(Urania fulgens)鱗片,藍色峰值是454±41 微米,變異係數為8.94%;鸚形目(Psittaciformes)、企鵝目(Sphenisciformes)、及雀形目(Passeriformes)的10種鳥類羽毛,藍色峰值是434±27微米,變異係數為6.13%,表示捕鳥蛛科的藍色反射分布比鱗翅目蝶蛾和鳥類更狹窄。

 

奈米結構相似的藍寶石華麗雨林和新加坡藍兩種捕鳥蛛的藍色棒狀花朵形突起對稱毛,對照比較雀形目鴉科(Corvidae)喜鵲(Pica pica)的藍綠色尾羽,結果兩種捕鳥蛛的藍色不僅可從±75度垂直入射角度看到,且無顏色偏移,即無炫彩效果;但喜鵲的藍綠色只能在±30度垂直入射角度顯現,其餘角度會出現不同顏色的炫彩效果。係因捕鳥蛛的非炫彩結構色產生機制是透過多層干涉產生藍色,以顯微鏡觀察雖有炫彩現象,但卻超出人類視覺的空間解析度,因此成為良好的非炫彩結構色。

 

研究團隊根據研究結果創建光學模型,並驗證了藍色蛛毛的結構基礎。由於棒狀花朵形突起對稱毛的奈米結構從未在其他物種發現,因此他們以藍色蛛毛高度有序和週期性光子結構為基礎仿生合成奈米蛛毛,用3D列印機在長、寬各數公釐的基材上列印出覆蓋花朵形多層奈米結構的合成奈米蛛毛原型,由於奈米結構具有高度可調性,能透過輕微的間距改變來實現全色域的色彩變化,具有極大應用潛力和經濟效益。因此未來將以3D列印設計製造5種不同結構的仿生合成奈米蛛毛,測試其奈米結構與排列、顏色變化、和消除炫彩等因素,納入光學模型,以便能客製化設計符合需求的產品,達成大量生產這類非炫彩結構色仿生應用商品的可能性。

 

(以上新聞編譯自2015年11月27日發行之Science Advances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

 
 
  • 來源:
     
    • Hsiung, B.-K., D. D. Deheyn, M. D. Shawkey, and T. A. Blackledge. 2015. Blue reflectance in tarantulas is evolutionarily conserved despite nanostructural diversity. Science Advances, 1(10): e1500709-1-8 (+ 6 pp. Supplementary Materials).
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • 熊柏凱(2016),師法毛蜘蛛非炫彩結構色材料之研發。
    • Duhaime-Ross, A. 2015. Blue tarantulas may help humans make better wide-angle computer displays. The Verge, November 27, 2015.
    • Reisewitz, A. 2015. New study reveals what’s behind a tarantula’s blue hue. UC San Diego / UC San Diego News Center, November 30, 2015.
    • Webb, J. 2015. Tarantulas evolved blue colour ‘at least eight times’. BBC News, November 28, 2015.
     
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