孔雀蜘蛛彩虹外表的成因

■在孔雀蜘蛛小小的腹部卻能產生彩虹一般的色彩,這是為什麼呢?來自加州大學聖地牙哥分校及艾克朗大學的研究團隊解開了這個色彩之謎。

(Picture supplied by Jurgen Otto who is one of the coauthors https://www.flickr.com/photos/59431731%40N05/albums)

撰文|方程毅

大自然中有各種形形色色的生物,有的外表樸素簡單,有的以色彩繽紛奪目著稱。若要選顏色浮誇的生物界代表非孔雀莫屬。但擁有華麗七彩的外表並不是孔雀的專利,在澳洲,有一屬蜘蛛被稱為「孔雀蜘蛛」(peacock spiders),牠們腹部有彩虹般的色彩。這些色彩引起了科學家的注意,來自加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego)熊柏凱博士率領來自艾克朗大學(The University of Akron)、加州理工學院(California Institute of Technology)、內布拉斯加大學林肯分校(University of Nebraska-Lincoln (UNL))、比利時根特大學(Ghent University)及荷蘭葛洛寧恩大學 (Groningen University)的研究團隊,在Todd Blackledge和Matthew Shawkey的教授的指導下針對其中兩種品種M. robinsoniM. chrysomelas進行研究,發現牠們美麗的外表是源自於身體上特殊的奈米結構,這些結構不僅僅回答了生物界的疑問,更能給光學工程領域帶來啟發,這項研究成果被發表在《自然‧通訊》(Nature Communications)期刊。

要解釋孔雀蜘蛛表面的顏色成因,必須先了解我們眼中看到的顏色是怎麼來的。一般看到的顏色都是物體本身的顏色,如果是黑色代表大部分的光打在上面都被吸收,如果是藍色代表藍色光被反射進到我們眼睛,這類色彩被稱為「色素色」。但還有另一種顏色跟物體本身的性質沒有太大關係,例如:肥皂泡。肥皂泡沫本身透明無色,但我們有時候會在肥皂泡的表面看到如彩虹一般的色彩,而且色彩會因為觀看角度不同而有所改變,這個現象稱為彩虹色或虹彩(Iridescence),其實中文翻譯的並不好,容易讓人誤會,這類色彩的成因跟彩虹不完全相同。這種顏色的成因大多是物體表面的結構讓某些特定波長的光互相干涉(Interference),當某些光波互相行破壞性干涉時,這個顏色就消失了,因此這類顏色又稱為「結構色」(假設某一處讓藍光行破壞性干涉,白光一照就我們就只能看到紅跟綠的混合色了)(有興趣的讀者可以參閱<孔雀羽毛與光子晶體>)

孔雀蜘蛛表面的顏色成因正是結構色。本文提到的兩品種蜘蛛體型都很小,大概只有2.5公厘(mm),但在小小蜘蛛的腹部卻能產生彩虹一般的色彩,他們身上勢必有非常精密的光學結構(這些色彩想當然爾是雄性蜘蛛的求偶利器)。「結構色」的形成需要物體表面有結構,其中一種為光柵(grating),光柵顧名思義就是其形狀像柵欄一樣,具有週期性,微結構排列的週期與方向會決定哪些波長的光會干涉。這些結構的週期必須跟相當於或小於光波長的尺度(可見光波長在400-700nm左右)。更深入的部分本文不多提,簡而言之就是規率且週期排列的微小結構是產生結構色的條件之一。

(Picture supplied by Jurgen Otto who is one of the coauthors https://www.flickr.com/photos/59431731%40N05/albums)

研究中針對的其中一種蜘蛛品種M. robinsoni身上顯現的色彩幾乎涵蓋整段可見光波長,一般結構色所產生的色彩不容易遍及整段可見光波長,也就是說由於某一物體因為結構色所產生的彩虹色彩,我們可能只會看到紅橙黃或是黃綠藍。研究團隊利用電子顯微鏡對蜘蛛腹部鱗片進行觀察,發現其表面具有像飛機機翼狀微結構,在機翼狀結構表面還有更小的週期性結構,不同於一般光柵只有二維,孔雀蜘蛛身上的光柵是3D狀的立體光柵,讓光線能在更小的體積內的行更有效率的色散。為了證明這些微結構正是蜘蛛腹部的色彩成因,研究團隊不僅利用理論計算出其表面結構預期呈現的顏色,更實際利用奈米 3D 列印的鱗片模型進行量測,驗證其色彩成因。

解開孔雀蜘蛛之迷不僅只限於學術上對生物的了解,因為無論目前科技如何先進,很多地方都還遠不如大自然的精巧設計,能夠產生虹彩的蜘蛛對於光譜學的進展很有幫助。光譜學簡單來說是觀察不同波長的光在某種環境或狀態下的強弱,但要判別這道光的哪一部分比較強,必須「分光」。例如今天有一道光是很強的紅光混很弱的黃光,要知道紅光到底有多強,可以透過三稜鏡或文中所提及的光柵將不同顏色的光分開,再分別測量每個顏色的強度,就能知道這道光的「成分」。因此,如果能更精細的把不同顏色的光分開,就能得到更精準的結果,蜘蛛表面的顏色正是如此,一道自然光打下去我們能看到紅橙黃綠藍靛紫,就代表這個微結構能把不同波長的光全部分開,只要經過設計,就能獨立收集各種顏色的光進行量測。

論文第一作者來自台灣的熊柏凱博士於表示:「分光元件可以說是光譜儀的心臟,現代光譜儀多使用平面光柵取代傳統三稜鏡做為分光元件,以求在不影響功能的情況下盡可能縮小光譜儀的體積,但仍有其物理上的侷限。彩虹孔雀蜘蛛擁有生物界所發現最為顯著的絢彩現象,其腹部的絢彩鱗片可以在極小的角度與距離內完成分光作用,產生自然界中最小的彩虹 (5 微米寬、頭髮直徑的 1/20)。理論計算顯示,如果使用這種仿生立體光柵來取代現有光譜儀內的平面光柵,能夠使其體積再縮小一個數量級。應用這種仿生立體光柵,未來有可能可以在行動或是穿戴裝置中安裝實驗室等級的光譜儀。縮小的光譜儀亦能夠節省太空任務的成本或安裝更強大的光譜儀在太空望遠鏡/人造衛星上。」

 

原始論文:Hsiung, Bor-Kai, Radwanul Hasan Siddique, Doekele G. Stavenga, Jürgen C. Otto, Michael C. Allen, Ying Liu, Yong-Feng Lu, Dimitri D. Deheyn, Matthew D. Shawkey, and Todd A. Blackledge. "Rainbow peacock spiders inspire miniature super-iridescent optics." Nature communications 8, no. 1 (2017): 2278.

參考資料:

  1. University of Akron. "Nature's smallest rainbows, created by peacock spiders, may inspire new optical technology: Implications of this finding can apply to a wide array of fields ranging from life sciences and biotechnologies to material sciences and engineering." ScienceDaily. ScienceDaily, 2 January 2018.
  2. 孔雀羽毛與光子晶體

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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