供稿人：马伟刚 连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-12-17
Cynandra opis蝴蝶原产于热带非洲，它们的翅膀拥有绚丽的色彩，之所以能够产生绚丽的色彩，是因为该蝴蝶翅膀上的多层光栅结构能够与光相互作用，产生结构性着色，当以规定的角度进行照明和观察时，这种结构颜色具有异常的纯度和亮度。
为了进一步了解结构着色的机理，苏黎世联邦理工学院与广州国际生物岛实验室的研究人员利用双光子3D打印技术，制造出了彩色的纳米结构，其光学特性可以通过光栅特征的高度和周期的变化来控制。
首先，研究人员对Cynandra opis蝴蝶的特定部位进行了显微观察，并对观察到的光栅结构进行了简化与重建，如图1所示。对于雄性C.opis蝴蝶，在翅膀的特定区域观察到深蓝色（图1A），如这些区域的扫描电子显微镜（SEM）成像所示（图1B，C），彩虹蓝色是由交叉双光栅状结构产生的。这里，脊阵列形成第一个衍射面（平面1），而该平面下方的十字肋板形成第二个衍射面（平面2），这种结构由两个正交光栅组成，可以在x和y方向上衍射光。研究人员使用简化的bigrating结构（图1D）模拟了在C.opis翅膀中发现的交叉双光栅结构。图1E为结构着色示意图，图1F显示了3D打印的bigrating结构的SEM图像。
图1 Cynandra opis蝴蝶蝶翼的显微结构组成及其重建
接着研究人员研究了入射角、周期、高度、周期比以及高度比分别对结构着色的影响，研究表明，特征周期和高度的变化在控制色调和纯度方面起着核心作用，通过调整bigrating结构的周期或高度，可以成功的展示色调和纯度变化的结构颜色，这在广泛的实际应用中是可取的。
图2 在表面结构形成过程中，温度场（彩色表面轮廓）、流场（彩色箭头图）和表面轮廓的演变图
最后，为了实现“全光谱”结构色的目标，研究人员打印了一种结构调色板阵列，以研究其光学特性随放大周期的变化。通过系统地改变光栅周期，同时保持光栅高度恒定，能够生成跨越可见范围的完整调色板颜色像素，如图2A所示，每个正方形的尺寸为120μm×120μm。图2B为一幅彩色油画的图像，图2C为该油画的结构彩色打印，该打印说明，大规模全光谱结构彩色打印可以成功复制包含三种基本颜色的复杂混合颜色的大型绘画，且由于光聚合打印过程的性质，相邻色块之间的颜色过渡呈现黑色。
此外，研究人员还指出，纳米结构着色可以取代当今印刷和绘画中使用的颜料。与传统颜料相比，它们持续时间更长，因为它们在光照下不会褪色，而且更加环保。