解密蝴蝶隐形翅膀上黑科技,防雾抗反光,能做最先进的眼压测量仪

 2022-05-06 15:20:09    10  

说起自然界的伪装大师,枯叶蝶肯定要占一席之地。当蝴蝶合拢翅膀休息时,就像一片掉在地上的落叶,干枯的棕色叶面上,分布着一道道暗色的叶脉,树叶边缘还微微卷起。如果枯叶蝶保持静止不动,在一堆落叶里,你根本找不到它的身影。

来测试一下眼力,数数这张照片里有几只蝴蝶(答案见评论)。

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枯叶蝶翅膀上,描绘出花纹和色彩的材料,是一粒粒细小的鳞片。鳞片能把枯叶蝶画成树叶,让它融入背景,和环境融为一体。变成背景色融入环境只是伪装的一种方式,蝴蝶界还有另一位伪装大师,它采用的是跟枯叶蝶截然相反的伪装方式,这位伪装大师是玻璃蝴蝶。

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玻璃蝴蝶没在翅膀上涂抹背景的颜色,它直接长出一对透明的翅膀,背景色透过透明的翅膀,蝴蝶变成隐形的蝴蝶。玻璃蝴蝶抛弃了翅膀上彩色的鳞片,直接裸露出透明的底色。光线像穿透玻璃一样,穿过蝴蝶的翅膀,所以名字叫玻璃蝴蝶。但是,蝴蝶的透明翅膀比玻璃要高级多了,它不仅能阻止水雾凝结,还能抵抗光线的反射。

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拿你的车窗玻璃来做比较,下雨时,车窗玻璃内部会凝结一层水雾,但是玻璃蝴蝶的翅膀上不会。阳光照射在车窗上,在某个特定的角度上,会反射出一道明亮的光线,明晃晃地刺痛过路人的眼睛。但是玻璃蝴蝶的翅膀上,不会出现刺眼的反射光线。

当蝴蝶在天空中飞行时,无论阳光从哪个角度照射过来,都会直接穿透翅膀,而不是照亮翅膀。失去了翅膀上的反射光线,空中的鸟儿很难发现蝴蝶的身影。蝴蝶无论是停留在树叶上休息,还是飞舞在阳光下,都能保持隐身,躲避天敌的视线。

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玻璃蝴蝶的翅膀,跟其他蝴蝶和昆虫的翅膀一样,都是由普通的几丁质材料构成。不含色素的几丁质本身是透明的,却像车窗玻璃一样,会反射光线,不会像玻璃蝴蝶一样隐形。把普通的几丁质变得隐形的秘密在于,蝴蝶在光滑的翅膀上,刷上了一层凹凸不平的涂层。

放大玻璃蝴蝶的翅膀,我们来看细节。翅膀上长着一根根毛发,这些像汗毛一样的细小毛发,其实是蝴蝶翅膀上鳞片的变异,只不过这些变异鳞片是透明的,不含色素。其他蝴蝶翅膀上的鳞片是一层层地重复堆积,而玻璃蝴蝶的毛发则是一根根松散地排列,中间留有很大的缝隙,稀疏的毛发能让光线不受阻碍地穿透翅膀。不过,毛发并不是让翅膀隐形的关键,隐形的关键在毛发下翅膀的表层结构上。

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继续放大翅膀,你能看见翅膀上粗糙的表面,这层粗糙的表面是纳米层,由一根根突起的纳米柱子组成。一根纳米柱子的直径50纳米,只有头发丝的万分之一粗。有趣的是,这些纳米柱子并不是规规矩矩地竖直排列,而是随机地歪倒。

正是这些歪歪扭扭,高低不等的纳米柱子,构成了翅膀表面抗反射的特性。无论光线以什么样的入射角照射到翅膀,都不会出现反光。从垂直方向上的0度,一直到几乎平行翅膀的80度。从不同角度照射到翅膀上的光线,统统都能通过纳米柱的表面,穿透到另外一边。

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当科学家用胶带粘除掉翅膀上粗糙的纳米层后,这时光线照射在光滑的翅膀上,出现了反光。涂上一层纳米层,就能大大提高蝴蝶翅膀抵抗反光的性能,如果把这个纳米层的黑科技,运用到各种玻璃和光电产品上,那岂不是效果非凡?

比如,给汽车的车窗上涂一层纳米层,车窗既能防雾,又不会反光。再比如,给太阳能电池板涂上一层纳米层,无论阳光从哪个角度照射,电池板表面都不会把阳光反射出去,大幅度提高吸收阳光的效率。

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全方位抗反光的纳米层适用的地方很广,你可以罗列出一大堆,但是有一个更神奇的用处,你肯定想不到。加州理工学院的研究团队,设计了一种带纳米层的微型测量仪器,可以直接安装在青光眼病人的眼睛里监测眼压。

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青光眼是导致失明的第二大原因,仅次于白内障。青光眼病人的眼压升高,会损害视神经,导致失明。治疗青光眼最有效的方法是,在病人出现眼压突然增高的时候,及时使用药物降低眼压。但是测量眼压并不像测量血压那么方便,病人自己没法监测,只能去医院,让医生用专业仪器测量。

现在工程师发明了一种,跟头发丝一样细的测量仪,可以像隐形眼镜一样放进眼睛里。随着眼压的增加,测量仪会逐渐弯曲,弯曲度转换成眼压数值。病人在配套的手持显示器上,能直接读取眼压的测量数据。普通的眼压测量仪,只有保持跟眼球表面垂直,才能得到准确的测量数据。但是加了蝴蝶纳米柱的测量仪,可以忽略光线的入射角度,大大减少测量的误差。

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研究团队已经加强了测量仪的抗污染特性,这种纳米结构的测量仪可以大规模地生产。等着投入商用之后,只要戴上比隐形眼镜还小的镜片,病人就能随时监测到眼压的变化,比戴在手腕上的电子血压计还要方便好用。

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还是那句老话,自然界一直走在我们的前面。无论是普通常见的玻璃反光问题,还是专业的测量眼压难题,在一只蝴蝶的透明翅膀上,早就写好了问题的答案。

好了,玻璃蝴蝶的秘密先聊到这儿。美丽的蝴蝶千千万,这期讲了一只不会闪光的蝴蝶,下一集,我们来讲一只会闪光的蝴蝶。

关注法兰西is培根,为你讲解自然界的秘密,下期见。

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参考资料:

1、The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly,Nature communications

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