رنگ نانوساختاری سوسک ‌ها شب ‌پره و پرندگان و ماهی‌ ها

سوسک‌ها، پرندگان، شب پره‌ها و ماهی‌ها نمونه‌هایی از موجودات زنده با رنگ‌های ساختاری شگفت انگیز هستند. سوسک‌هایی که با تغییر رطوبت، تغییر رنگ می‌دهند؛ سوسک‌هایی که با تغییر ساختار نانومتری در چندین رنگ یافت می‌شوند، سوسک‌های یکدست سفید؛ سوسک‌های جواهرات با پوشش رنگین کمانی؛ سوسک‌هایی که نور پلاریزه و غیرپلاریزه رنگ متفاوتی از آنها نشان می‌دهد و سوسک‌هایی با سطوح خودتمیز شونده در بدنشان؛ همه دارای ساختارهای منحصر به فردی هستند که با مطالعه و الگوبرداری از آن‌ها می‌توان محصولات رنگی کاملا متفاوتی ایجاد نمود.

به عنوان یکی از موضوعات مورد بحث در نانوبیومایمتیکز حیف است که یک بخش کامل به سوسک‌ها و پرندگان، شب پره‌ها و ماهی‌ها اختصاص نیابد و به شگفتی‌های رنگی در گونه‌های مختلف آن‌ها اختصاص نیابد. سوسک‌هایی که با تغییر رطوبت، تغییر رنگ می‌دهند؛ سوسک‌هایی که با تغییر ساختار نانومتری، در چندین رنگ یافت می‌شوند، سوسک‌های فوق سفید و سوسک‌های جواهرات با پوشش رنگین کمانی و تنوع نانوساختارهای آن‌ها و سوسک‌هایی که نور پلاریزه و غیرپلاریزه، رنگ متفاوتی از آن‌ها نشان می‌دهد، قابل بررسی هستند. در بسیاری از سوسک‌ها خودتمیز شوندگی با داشتن یک سطح نانوساختار نهادینه شده است.

شاید اولین تشریح رنگ‌های ساختاری توسط ایزاک نیوتن ارائه داده شده باشد. در کتاب دوم نور، او پرهای زیبا و درخشنده قرقاول هندی را توصیف کرده که ناشی از تداخل نوری بخش شفاف و نازک پرها است. بعد از گذشت حدود 200 سال، ظهور روابط ماکسول، پایه نظری بررسی رنگ‌های ساختاری را فراهم کرد و رنگ‌های برّاق مرغ مگس، پروانه ها و سوسک‌ها به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفت [2].
تا حدود 20 سال پیش تحقیق روی رنگ‌های ساختاری، اساساً با نیاز به روشن شدن مکانیزم فیزیکی نهفته در آن صورت گرفته بود. ریلیاین نظریه‌ای را دنبال می‌کرد که رنگ‌های برّاق مرغ مگس، پروانه، و سوسک‌ها در اثر تداخل چندلایه‌ای ایجاد شده‌اند. اندکی بعد از ریلیبانکرافت با استفاده از پدیده‌های اپتیکی مانند پراکنش، تداخل و تفرق، می‌توان افکت‌های رنگی روی حشرات، پرندگان، ماهی‌ها، سنگ‌های خاص و پدیده‌های طبیعی مانند غروب خورشید، رنگین کمان و رنگ آبی آسمان را شرح داد. ماسون هم رابطه بین ویژگی‌های ساختاری و رنگ در بسیاری از پرندگان و حشرات را تشریح کرد و روش‌هایی را به وجود آورد که بتوان رنگ‌های پیگمنتی و رنگ‌های ساختاری را وقتی در حشرات همزمان یا مجزا وجود دارند تشخیص داد. با این حال تشریح این پدیده‌ها وقتی کامل شد که میکروسکوپ‌های الکترونی کاربردی شدند[2].
ساختارهایی که در پرندگان رنگ‌های گوناگون ایجاد می‌کنند متنوع‌اند، اما همه‌ی آن ها بر اساس ساختار آرایه‌های منظم دانه‌های ملانین در بستر کراتین در شعبات فرعی هر پر ایجاد شده‌اند. برای مثال رنگ پرهای دم جنبانک و سایر پرندگان، از سیاه تیره به رنگی تغییر می‌یابد. در گونه‌های سیاه در شعبات پرهای تیره، ملانین با حالت خیلی فشرده وجود دارد، اما در گونه‌هایی با بال‌های رنگی دانه‌های ملانین در لایه‌های منظمی اطراف لبه شعبات هر پر دیده می‌شود. طیف سنجی؛ میکروسکوپ الکترونی عبوری و مدل‌سازی نوری، لایه های نازک این اطمینان را ایجاد کرد که رنگ حاصل در اثر همین لایه‌های منظم است[2].

نمونه دیگر تلفیق رنگی در ساختارهای طبیعی، بال‌های سبز تابان پروانه دم چلچله‌ای زمردین یا پاپیلیو پالینوروس است. سطح هر بال، آرایه دو بعدی منظمی می‌باشد از تورفتگی‌های کاوی که قطر آن ها 4 تا 6 میکرومتر و عمقشان 0.5 تا 3 میکرومتر است. هر تو رفتگی 10 واحد سلولی دارد که هر کدام از دو لایه مجزا تشکیل شده‌اند. نور زرد از لایه پایین و نور آبی از دیواره هر فرورفتگی منعکس می‌شود. این دو رنگ تلفیق شده و رنگ سبز را در نظر ایجاد می‌کنند[2].
مکانیزم پرطاووس برای انعکاس رنگ‌های جذاب و براق هم به دلیل نانوساختار ویژه آن می‌باشد. ساختار پر طاووس از دو مکانیزم برای تغییر رنگ استفاده می‌کند. یکی کنترل طول و دیگری کنترل تناوب لایه‌ها با تغییر ثابت، شبکه رنگ‌های مختلف را به وجود می‌آورد[2].

پوست سوسک‌ها درست مثل اپل‌ها می‌باشد. این ویژگی باعث شده است که پوست بسیاری از گونه‌های سوسک رنگ درخشنده‌ای داشته باشند. علت این اثر رنگی، در برخی مواقع به علت تداخل در انعکاس برّاق و متالیک پوست الیترون (یا بال سخت شده) سوسک ژاپنیاست. در شکل 6، تصویر SEM لایه خارجی پوست سوسک‌های شاخدار را نشان می‌دهد که شامل ساختار چند لایه متناوب با رنگ‌های مختلف هستند و تنها با تغییرات ضخامت لایه‌های تشکیل دهنده ایجاد شده‌اند. از آن جا که الیترون‌ها صاف هستند و نظم کاملی دارند، رنگ‌های درخشنده رنگینی با درخششی پر برق به وجود می‌آیند[2].

در پوست سوسک‌های جواهرات، لایه‌های مارپیچی متشکل از میکروفیبریل‌های کیتین به موازات هم تشکیل شده‌اند. این لایه‌های میکروفیبریل موازی به جهت ویژگی خاص خود، ضریب شکست متفاوتی را در یک لایه خاص دارند که از ضریب شکست نور پلاریزه شده عمودی بزرگتر است. در نتیجه می‌توان رنگ‌های متفاوتی از ساختار را بسته به جهت قطبیدگی نور مشاهده کرد. چنین انعکاس دهنده‌های زاویه‌ای گاهی “فیلترهای براگ دوار” نامیده می‌شود. کریستال های فوتونی طبیعی دیگر می‌توانند دو یا سه بعدی باشند، از این رو تشعشع سبز لمپروسیفول اوگوستوس که همیشه مستقل از زاویه دید است؛ به خاطر فلس‌های فرا اسکلتی با آرایش متفاوت تک کریستال‌های حوزه های میکرومتری با یک ساختار داخلی، شبیه به ساختار الماس است. باندگپ تقریباً به طور کامل با تلفیق فلس ها در سه چیدمان متفاوت ایجاد می‌شود. با این که شبکه پایه الماس، به شکل مصنوعی به صورتی مهندسی شده است تا در طول موج 1300 نانومتر عمل کند، ساختار طبیعی لاگوستوس تنها مثالی می‌باشد که در محدوده نور مرئی عمل می‌کند[2].
نمونه رنگ‌های طبیعی در سوسک‌ها با نام “رنگ‌های بدون رنگدانه” در خودروسازی شبیه سازی و تولید شده‌اند. در شکل 8 نمونه‌ای از این پیگمنت‌ها را مشاهده می‌کنید.

سوسک سیفوچیلوس فلس‌هایی با ضخامت 5 میکرومتر دارد که از ساختاری متناوب در سه بعد تشکیل شده است. این سوسک‌ها ظاهری به رنگ سفید دارند[3].

شب پره‌ها، رنگ‌های قهوه‌ای و خاکستری تیره دارند. با وجود این، استثناهایی مثل شب پره اورانیا اسوالوتیل (اورانیا فولژنز) در آمریکا یا شب پره غروب ماداگاسکار یا چریسیریدیا ریفئوس وجود دارد. هر فلس از بال‌های شب پره 4 تا 5 لایه کیوتیکولی دارد که حدود 40 نانومتر ضخامت دارند و با میله‌های کیوتیکولی ریزی به هم متصل شده‌اند که باعث ایجاد حفره‌های هوای 100 نانومتری می‌شود. هم تغییر فواصل و هم ضخامت لایه کیوتیکل و وارد شدن پیگمنت‌های مختلف درون فلس‌ها، رنگ‌های مختلف را ایجاد می‌کند.
ساختارهای چندلایه‌ای متناوب با کریستال‌های گوانین (ماده ای آلی با ضریب شکست بالا) که در سیتوپلاسم (موادی با ضریب شکست پایین تر) از هم فاصله گرفته‌اند، کلید انعکاس نقره‌ای رنگ و پر تنوع بسیاری از ماهی‌ها می‌باشند. شکل 10، تصویر SEM کریستال‌های بیوژنیک جدا شده از پوست ماهی کوی را نشان می دهد. کریستال‌ها، شبه شش وجهی و نازک هستند و ضخامتشان بین 50 تا 150 نانومتر تغییر می‌کند و حدود چند میکرومتر طول دارند[2].
قرار گرفتن سه یا چهار لایه متوالی ساختار چند لایه که هر کدام با یک جزء متفاوت از طیف نوری هماهنگ شده‌اند به انعکاسی در دامنه وسیع و انعکاس چند باندی منجر می‌شود. این می‌تواند دلیل ظاهر نقره‌ای بسیاری از ماهیان به خصوص شاه ماهی باشد. راه دیگر برای به دست آوردن ظاهر خاکستری، داشتن ساختار چند لایه با شمار زیادی از لایه‌ها است که در یک محدوده معین تغییرات ضخامتی تصادفی دارند و هر کدام از یک یا دو ماده ساخته شده که ضریب انعکاس متفاوتی دارد. این وضعیت در دو ماهی دم مویی و ماهی نواری دیده می‌شود. ماهی‌ها از اثر آینه برای استتار استفاده می‌کنند[2].
انعکاس براق و فلزی ماهی کوی با استفاده از کریستال‌های گوانین با منشاء حیاتی که از پوست زیر فلس های آن‌ها استخراج شده، کپی برداری می‌شود. کریستال‌های گوانین در محیط دی متیل سولفوکسید در آزمایشگاه هم رشد داده می‌شود. هر چند دو دسته کریستال شکل مشابهی دارند، اما کریستال‌های حیاتی در ضخامت جور دیگری هستند. این کریستال‌ها حدود 50 نانومتر ضخامت و وجوه کریستالی منظمی دارند، در حالی که کریستال‌های رشد کرده در آزمایشگاه، خیلی نازک تر هستند و پله‌های نامنظمی دارند[2].

همه رویکردهایی که درباره‌ی مهندسی تقلید از طبیعت بحث می‌کنند و تا کنون از آن‌ها صحبت شد، رنگ اولیه ایجاد شده توسط یک ساختار متناوب را تکرار می‌کنند. به تازگی تغییرات در رنگ‌های ساختاری که در برخی آبزیان (مانند دامسل فیش یا نئون تترا فیش)، اختاپوس، عروس دریایی، و سوسک‌ها در پاسخ به تغییرات محیطی اثبات شده، این ایده را ایجاد کرده است که تحقیقات مواد با الهام از طبیعت مانند کریستال‌های کلوییدی با رنگ‌های ساختاری به شکل زنده قابل تنظیم باشد. ساخت مواد کریستال فوتونیک با رنگ‌های ساختاری قابل تنظیم، از سه مکانیزم قابل بازگشت در رنگ‌های ساختاری فعال در طبیعت بهره می‌برد؛ تغییر در ضریب شکست؛ تغییر فاصله یک ساختار متناوب؛ و تغییرات در جهت تابش. برای مثال پوسته خارجی متخلخل برخی سوسک‌ها، ضریب شکست آن را با جذب آب تغییر می‌دهد. فاصله ساختار متناوب در سرپایان با تغییر در ضخامت صفحات پروتئینی (با متورم شدن) یا با تغییر فضای بین صفحات تنظیم می‌شود. تغییر زاویه صفحات، زاویه تابش نور را تغییر می‌دهد و طول موج انعکاسی دلخواه را ایجاد می‌کند. یکی از ساختارهای مصنوعی با قابلیت تنظیم رنگ به صورت فیلم‌های چندلایه با ضریب شکست بالا و پایین از جنس آلی و غیرآلی (سُل پیشماده اکسید تیتانیوم و محلول پلیمری) شکل گرفته است که در آن رنگ می‌تواند با فاصله بین لایه‌ای یا ضریب شکست تنظیم شود. چنین تغییراتی می‌توانند برای حسگرهای نورسنج، یا حسگرهای رطوبت، کشش و کشیدگی مفید باشند[2].
در اوایل سال 1979 سوسکی به نام کریپتوگلواسا را گزارش شد که وقتی در رطوبت‌های مختلف قرار می گرفت تغییر رنگ می‌داد. این سوسک در رطوبت کم آبی کم رنگ بود و در رطوبت بالا سیاه می‌شد. تغییرات رنگی ناشی از فیلامنت‌های واکسی سطح کیوتیکل بود که از برآمدگی‌های کوچکی بیرون زده بودند. در رطوبت کم صحراها که آب اهمیت بالایی دارد این رشته‌ها جمع می‌شود و افت آب بدن را کم می‌کند و سرعت بالا رفتن دمای بدن را با افزایش میزان انعکاس تنظیم و کاهش می‌دهد[4].
همان طور که شکل 11 نشان می‌دهد، الیترا یا پوست در این گونه‌ها برآمدگی‌های مینیاتوری متعددی دارد. وقتی سوسک در بیابانی با رطوبت بالا باشد نوک هر برآمدگی باز می‌شود و ماده‌ای آمورف شبیه به خمیردندان از نوک آن‌ها ترشح می‌شود. این ساختار باعث انعکاس نور تابشی می‌شود و رنگ پشت را تیره می‌کند. در رطوبت پایین تراوش آمورف که از نوک برآمدگی‌ها بیرون آمده به شکل رشته‌های 140 نانومتری متعددی در می‌آید و این فیلامنت‌ها با فیلامنت‌های برآمدگی‌های دیگر متصل می‌شوند و یک مش سبدی شکل تشکیل می‌دهند که میانگین قطر آن 20 میکرومتر است و کل پشت سوسک را پوشش می‌دهد. این شبکه سطحی، نور تابشی را انعکاس داده و مشخصاً نور آبی تولید می‌کند. آنالیز شیمیایی این الیاف از سطح آبی سوسک‌ها به حضور هیدروکربن های اشباع شده (عمدتاً با 20 تا 36 اتم کربن با زنجیره کربنی خطی) اشاره داشته است و کلسترول، الکل، اسیدهای چرب آزاد و پروتئین‌ها همگی شناسایی شده اند[4].

برآمدگی‌ها موادی واکسی دارند که کل پشت سوسک را می پوشاند و آن را ضد آب می‌کند. نوع پروتئین حاضر در ذات شیمیایی تعامل‌های لیپیدی پروتئینی شناسایی نشده است. درصد پروتئین نقش مهمی در تغییرات مورفولوژی مشاهده شده در شرایط حاد رطوبتی دارد[4].