رنگ نانوساختاری پروانه مورفو

پدیده های مختلفی در رنگی دیدن مواد و محیط اطراف ما نقش دارند. وجود رنگدانه ها در ساختار مواد یکی از این علت ها است. انواع رنگدانه ها بنا بر ماهیت جذب، رنگ های مختلفی تولید می نمایند. گیاهان و اجسام اطراف ما رنگ خود را مدیون وجود این رنگدانه ها هستند. اما ریشه بسیاری از رنگها در طبیعت، ماهیتی فیزیکی دارد و به آن رنگهای ساختاری اطلاق می شود. بدین صورت که ساختار فیزیکی مواد که عموماً نانوساختار است می تواند به گونه ای باشد که باعث شکست، بازتابش، تداخل و یا تفرق امواج نوری گردد. این تحولات فیزیکی روی امواج نوری عامل رنگی دیده شدن این مواد است. پروانه مورفو از گونه های جالب حیوانی است که ویژگی رنگی خود را مرهون پدیده های نوری در فلس های بال است. پروانه مورفو از چهار مکانیزم برای ایجاد رنگ بهره برده است که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است.

رنگ‌های ساختاری در نتیجه پراکنش نور از میکروساختارهای منظم، لایه های نازک و حتی آرایه های منظمی از نانوذرات شکل می گیرد. اما این رنگ‌ها ساخته پیگمنت‌ها نیستند. مثال‌هایی از تلاٴلوٴ پرنور رنگ‌های ساختاری را می توان در سنگ اُپل و رنگ های درخشنده برخی پروانه ها، مانند گونه ی مورفو آمریکای جنوبی ( پروانه ای آبی با بالهای درخشنده ) و پر طاووس مشاهده کرد. رنگ های ساختاری را می توان در مقیاس صنعتی برای تولید رنگ های ساختمانی، پارچه، وسایل آرایشی و سنسورها استفاده نمود [1].
منشاء بسیاری از رنگ های حیوانات، به جهت رنگدانه ها و یا پیگمنت‌های شیمیایی موجود در اندام شان است. با چند مورد استثناء رنگ‌های گل ها هم منشاء شیمیایی دارند. رنگ‌های دیگر مثل سرخی شفق و رنگ های زیبا در فلق، رنگ‌های آبی و سبز آب دریا، رنگ‌های رنگین کمان و رنگ‌های خیره کننده ی برخی سنگ‌های معدنی، حیوانات و گیاهان دلایلی کاملاً فیزیکی مانند شکست، بازتابش، پراکنش، تداخل و قطبی شدن نور دارند. چشم های ما نمی تواند رنگ‌ها را بر اساس منشاء آنها که فیزیکی، شیمیایی، یا تلفیقی از این دو می باشد،تشخیص دهد. به علت آنکه مکانیزم های بینایی همگی با پرتوها یا فوتون هایی تحریک می شود که از جسم خارج شده اند و هیچگونه اطلاعاتی را که مبنی بر ساز و کار تولید رنگ باشد، دریافت نمی کنند [1].
رنگ‌های شیمیایی با جذب نور در پیگمنت ها تولید شده اند. پیگمنت ها موادی با ترکیب شیمیایی معین و تعریف شده هستند و رنگ تولید شده با ذات شیمیایی پیگمنت ارتباط دارد. پیگمنت های طبیعی را می توان با کمک ابزارهای مناسب از بافت رنگی گیاهان، نیل، نرم تن صدفدار یا گلسنگ ها استخراج نمود. پیگمنت ها چه درون پوسته موجود زنده باشند و چه در بیرون آن، می توانند با نور واکنش دهند. بافت ها یا ارگانیسم هایی که تنها رنگ های پیگمنتی دارند هرگز جلا و درخشش سطحی ندارند و با فرو بردن در محیطی که آسیب شیمیایی به پیگمنت وارد نکند تغییر نمی کنند. استخراج مواد شیمیایی از گیاهان و جانوران و تبدیل آنها به رنگ و پیگمنت، تاریخ چندین هزار ساله دارد. در 150 ساله گذشته رنگ های طبیعی، پیگمنت ها و جوهرهای طبیعی ابتدا به مرور و بعد با سرعتی بیشتر با محصولات شیمی آلی مدرن جایگزین شده اند [1].
توضیح در مورد سطح رنگی و درخشنده بال‌ پروانه ها که در جمع کثیری از گونه های آن دیده می شود به هیچ مقدمه ای نیاز ندارد. رنگ در بال‌های پروانه‌ها یا منشاء پیگمنتی دارد، یا به میکرو و نانوساختار فلس‌ها و یا هر دو مورد ارتباط دارد. پیگمنت‌ها (عمدتاً ملانین و پترین‌ها) در بال‌های پروانه رنگ‌های زرد، نارنجی زرد، قرمز، سیاه و قهوه ای را ایجاد می کنند. با این حال پیگمنتی نیست که بتواند رنگ آبی رنگین کمانی، بنفش و سبز مشاهده شده در گونه های مورفو را ایجاد کند [1].
گونه‌های مورفوژنوس در جنگل های استوایی و فوق استوایی آمریکای جنوبی یافت می شوند که رنگ‌های آبی شیک و درخشانی دارند، اثر رنگی و به شدت متالیک وبرّاق آن ها در شکل 1 نشان داده شده است. رنگ بال‌های این پروانه ها آنقدر روشن است که می توانند از فاصله ای چند کیلومتری تشخیص داده شوند. البته دانه های پیگمنتی به خصوص بیوپترین در فلس های برخی از این گونه های مورفو دیده شده است، اما تعداد آن ها برای تولید رنگ کافی نیست. با ظهور میکروسکوپهای SEM طی دو دهه گذشته مشخص شد رنگ آبی پروانه های مورفو در نتیجه ساختار پیچیده فلس های بال ها ایجاد شده است. این فلس ها زیر یک میکروسکوپ نوری ساده و دستی مشاهده می شود. بال پروانه ها مثل ماهی، فلس دار است. این فلس‌ها دارای شیارهای میکرومتری هستند و چشم به سادگی آن ها را نمی بیند [1].

رنگ‌های ساختاری مورفو پدیده ای به نام بازی رنگ ها دارند که در رنگ های براق و فلزی گون سطح برخی سنگ ها، پرطاووس، صدف ها، سوسک ها، ماهی ها و پرنده ها هم وجود دارد و ناشی از بافت نانو و میکروساختار سطح آن ها است [1].
در پروانه ها، بازی رنگ از پدیده توری پراش که حاصل بازگشت نور از سطوح متناوب است، ایجاد شده است. شیارها و لایه های نازک می توانند با برخی پیگمنت ها در رنگ نهایی موٴثر باشند [1].

میکروسکوپی الکترونی تا حد زیادی به تشریح رنگ ساختاری در سازه‌های زیستی کمک کرده است.با کمک میکروسکوپ الکترونی، معین شده است که برخی معماری‌های خیلی پیچیده، اغلب از یک ساختار تکرار شونده و متوازن تشکیل شده اند و با نور تعاملی دارند که رنگ ایجاد می کند. با این شرایط همچنان تولید رنگ های ساختاری با شباهت بالا به نمونه اصلی، کار دشواری است.حتی اگر در زمان استفاده از ساختار مصنوعی، تکنیک‌های پیچیده ساخت در فناوری نانو استفاده شود. تکنیک‌های پایه حلالی و تکنیک‌های لایه نشانی بخار و لایه نشانی لایه اتمی نمونه ای از این روش ها هستند [1].
در دو دهه گذشته خیلی از محققان از رنگ‌های ساختاری الگوبرداری کرده اند تا جایگزین های ایمن و جدیدی را برای پیگمنت های سابق توسعه داده و بدین طریق میزان استفاده از مواد شیمیایی مضر و فرار را کاهش دهند. کاربردهایی از این رنگ‌ها در صنایع مختلف مثل وسایل آرایشی، نساجی و رنگ‌های خودرو دیده شده است [1].
تحقیقات گسترده ای در ژاپن جهت بازتولید آبی مورفو با استفاده از روش لیتوگرافی نیمه رسانا و ساخت واحدهای نانومتری مجزا با دقت 10 نانومتر انجام شد [1].
در دهه کنونی با توسعه تکنیک های خاص برای ایجاد نانوساختارها، یک حوزه تحقیقاتی جدید با عنوان کپی برداری از الگوهای زیستی مانند بال پروانه و زنجره باز شده است که از تکنیک های ساخت نانومتری شامل: لایه نشانی لایه اتمی، نانوریخته گری، چاپ نانو و لایه نشانی بخار فیزیکی جهت کپی برداری زیستی استفاده می نماید.
نور در تعامل با مواد دچار تغییر در طول موج یا انرژی شده و از این رو تغییر رنگ می دهد. مکانیزم های زیر برای پدیده های نوری که با رنگ در ارتباط اند، وجود دارد: شکست نور و پخش(دیسپرشن)، انعکاس (رفلکشن)، پراکنش(اسکترینگ)، پراش یا تفرق (دیفرکشن)، این پدیده ها از تداخل (اینترفیرنس) بین امواج نوری هم کمک می گیرند.
دو پروانه لامپرولنیس نیتیدا درگینه نو و پیرلا در آمریکای مرکزی، تابش رنگی فریبنده ای را در بال های جلو، بر اثر تفرق نشان می دهند. وقتی نور از بالا به بال ها می خورد بال ها قهوه ای تیره هستند، اما وقتی نور از کنار به بال ها می خورد، بال ها بازی رنگی دارند و با تغییر زاویه دید، تغییر شدیدی در رنگ مشاهده می شود. پروانه نیتیدا رنگ های سبز و قرمز را در تابش از سمت جلو و رنگ های آبی تا بنفش را در تابش از عقب نشان می دهد. این چند رنگی به این خاطر اتفاق می افتد که بال های جلو دو ساختار نانومتری متفاوت در هر فلس دارند، در نتیجه هر یک از آن ها می تواند علائم رنگی متفاوتی را در جهات مختلف ایجاد نماید. بال جلوی این پروانه نور سفید را تجزیه می کند، اما تنها یک پراش توری می تواند، اتفاق بیفتد. رگه های داخلی شیار فلس ها هم میتواند یک پراش توری با گام حدود 580 نانومتر که تقریباً مسطح است و در طول بال قرار دارد، انجام دهد [1].

توالی رنگی در پروانه لونا برعکس نیتیدا است. رنگ بنفش در زوایای دید بالا و مایل و نزدیک به سطح بال دیده می شود. رنگهای دیگر از آبی به قرمز در زوایایی که رفته رفته به جهت عمود بر بال ها نزدیک می شود، دیده می شوند. این اثر به خاطر تغییر ماکروسکوپیکی است که در خمیده بودن شکل فلس وجود دارد [1].
رنگهای ساختاری در حالت کلی رنگ شان با تغییر زاویه دید تغییر می کند. آبی درخشنده پروانه های مورفو این گونه نیست و وابستگی زاویه ای کمی دارد، که نشان می دهد باید موضوعی فراتر از مکانیزم فیزیکی عامل آن باشد. هرچند دانه های پیگمنت (علی الخصوص بیوپترین) در فلس های برخی گونه های مورفو دیده می شوند، اما مقدار آن ها به اندازه ای نیست که بتواند آبی طلایی پر رنگی را توجیه کند. در عوض این رنگ ها از تلفیق همزمان تداخل چند لایه نازک(پراش از چند لایه نازک با ضخامت محدود)، پراش توری(پراش از سطوح ناهموار) و ارتفاع ناهمسان رگه های فلس های بال ایجاد می شود. رنگ آبی و رنگ های بنفش بال های پروانه هایپلیمناس آنومالا در آسیای شرقی به دلیل ساختارهای میکرومتری فلس ها ایجاد شده است [1].

رنگ آبی مورفو منشاء فیزیکی دارد. این رنگ ها بیشتر به خاطر این موضوع جذاب شده اند که رنگ روشن را در زوایای دید بالا با تیره جایگزین می کنند. تلاٴلوٴ براق مورفو از ساختار میکروسکوپی فلس های شفاف بدون رنگ در محدوده 100 میکرومتر نشاٴت گرفته است که سطوح بال های فوقانی را پوشش می دهد. حدود 15 فلس در هر میلیمتر از سطح بال وجود دارد و هر فلس، دسته ای با 12 شیار میکروسکوپی هم فاصله و موازی دارد. این سطح طرح دار پراش توری معادل با یک دوره d بین 650 و 800 نانومتر را ایجاد می کند. یک شیار معمولاً 15 شعبه طولی دارد ( برخی گونه های مورفو 6 تا 10 شعبه در هر طرف دارند) که همگی به طور یکنواخت از هم فاصله دارند و هر یک ضخامتشان از کسری از طول موج مرئی بیشتر نیست و تراکم 700 تا 2000 صفحه مولکولی در هر میلیمتر دارند. این ساختار درختی شکل دارای صفحاتی از کیوتیکل ها می باشد. ضریب شکست این ماده 1.56 است. بسته به گونه های مختلف پروانه ها، این ساختارها به شکل موثری، نوارهای طیفی با عرض 150 تا 300 نانومتر را منعکس می کنند. پدیده های رنگی که قله انعکاس آنها در 45 تا 65 درصد انعکاس است ، طول موج هایی بین 400 الی 460 نانومتر را می تاباند. این طول به رنگ های آبی زیبای مورفو تعلق دارد [1].
مکانیزم فیزیکی رنگ های ساختاری مورفوژنوس به طور کامل بررسی شده است. انعکاس بالا در منطقه آبی طیف از تداخل چند لایه ایجاد می شود. انعکاس نفوذی به خاطر عرض کم و ارتفاع نامنظم شیارها رخ می دهد. پیگمنت های آبی هم رنگ ساختار را شدت می دهند. در نهایت فلسهای شفاف بال پروانه به صورت پخش کننده های نوری عمل می کنند و اثر براق بودن را ایجاد می کنند. بنابراین تلفیق 4 مکانیزم متفاوت آبی مورفوی درخشان را ایجاد می کند [1].

تلاش های زیادی انجام شده است تا از درخشش نیلگون پروانه های مورفو کپی برداری کند، اغلب تکنیک ها موفق بوده است. تکنیک های ریخته گری نانو casting، نانوچاپimprinting، لایه نشانی بخار فیزیکی، لایه نشانی لایه اتمی و تکنیک های تلفیقی هنوز هم در حال توسعه است.
درتلاش های اولیه برای تولید مورفو به شیوه آزمایشگاهی از ساختارهای خودآرایی شده میکروکره ها و نانوکره ها استفاده شده است. در این تلاش ها، از کره های پلی استایرن استفاده شده که قطری نزدیک به فاصله شیارهای روی بال های مورفو دارند. ساختارهای ساخته شده، روی زیرلایه های بزرگ تولید شده و محدوده طول موج و تلاٴلوی آبی مورفو را نشان داده است. نیمه بالای شکل 6 (الف)،تصویر SEM شیارهای موازی فلس بال مورفو را نشان می دهد و نیمه پایینی تصویر مربوط به آرایه کره های پلی استایرنی با قطر 953 نانومتر است که بر روی یک صفحه شیشه ای قرار گرفته است [1].

روش دیگر حک خشک (dry-etch) یک زیرلایه با تکنیکهای پرتو الکترونی است. شیارهای موازی، هر کدام تعداد زیادی انشعاب های موازی یا تیغ های دارند که حکاکی شده و عرض رگه و فاصله رگه ها را به مانند فلس بال پروانه ایجاد کرده است. ارتفاع انشعاب ها به طور تصادفی انتخاب شده تا ارتفاع غیریکنواخت رگه های بال مورفو را تقلید کند. زیرلایه ساخته شده در انعکاس، رنگ، وابستگی زاویه ای و ناهمسانی رنگی شبیه به بال مورفو است.
هیچکدام از دو روش ذکر شده منظم و غیر منظم خودی خود نتوانست به تنهایی ساختار بال مورفو را کپی برداری کند، بلکه تلفیق این دو موفق بود [1].
شاید مستقیم ترین راه برای بازتولید رنگ های برّاق بال های پروانه کپی برداری مستقیم از مورفولوژی خود بال با اطمینان نانومتری باشد. تکنیک های کپی برداری متعددی توسعه پیدا کرده است. این روش ها از خود بال به عنوان مُهر استفاده می کنند و نوعی قالب گیری انجام می دهند که شکل خود بال را ایجاد می کند [1].
دو روش لایه نشانی اتمی دما پایین (ALD) آلومینا و فیلم تبخیر شده با روش گردش (CEFR) برای کپی برداری طرح بال پروانه مورفو استفاده شده است [1]. در روش اول بعد از اینکه خود بال با عملیات خنک سازی برداشته شد، مُهر منفی (طرح فرو رفته نقش های سطح بال) به دست آمد که خصوصیاتی کاملاً مشابه به بال اولیه داشت. نه تنها رفتار نوری بلکه آبگریزی سطحی بال های پروانه هم با الگوبرداری توسط این روش اثبات شده است. در روش دوم از تبخیر حرارتی یک ماده جامد در یک اتاقک کم فشار استفاده می شود تا یک جریان بخار تعدیل شده ایجاد کند که به سمت الگوی زیستی جهت دهی داده می شود. خود الگو به شکل پیچیده ای گردش دارد تا جریان بخار ورودی به عنوان پوشش روی آن فشرده و سخت شود. برداشتن بال از روی پوشش با حک شیمیایی به دست می آید [1].

در روش سل ژل، کپی برداری با پر کردن نواحی حفره دار بال پروانه با سل آغاز می شود، بعد از خشک کردن ساختار، بال واقعی از آن جدا می شود، به این روش کلسینه کردن یا حک گفته می شود. این فرآیند یک مهر منفی را از سُل خشک شده ایجاد می کند [1].

یک مهر مثبت میتواند از پر کردن مناطق حفره دار مهر منفی و حذف مواد الگوی منفی ایجاد شود، اما ذات ظریف بال پروانه، اعمال این مرحله را دشوار میکند[1].
یکی از کاربردهای برجسته رنگهای ساختاری در منسوجات است. این کاربرد اولین بار با ساخت پارچه مورفوتکس شکل گرفت. الیاف این پارچه از مقطعی چند لایه در مغز الیاف تولید شده که با ذوب ریسی انعقادی تولید می شود [1].

دو کاربرد دیگر از بال های درخشنده پروانه مورفو سولکفسکی استخراج شده است. علت انتخاب این گونه از خانواده مورفو به خاطر حالت های ویژه ای است که روی فلسه ای بال آن وجود دارد. در مقایسه با سایر گونه ها در این خانواده، فلس های این پروانه تراکم شیار بالاتری دارند و شکل شیارهای آنها کمی مایل است و ساختار شاخه ای منظم تری در آنها دیده می شود و از همه مهم تر مقادیر قابل اغماضی پیگمنت در آنها است که نور را جذب می کند و انعکاس را کاهش می دهد. انعکاس فلس ها هم با انبساط حرارتی و هم با محبوس شدن بخار در قسمت های توخالی فلس تغییر می کند [1].
وقتی بال مورفو سولکفسکی با نور مادون قرمز متوسط (طول موج 3 تا 8 میکرومتر) روشن می شود، قسمتی از نور تابیده شده توسط بال جذب میگردد که باعث انبساط حرارتی بال و افزایش فواصل بین شیار فلس ها و بزرگ شدن ساختار لایه لایه درختوار فلس می شود و حرارت همچنین منجر به کاهش ضریب شکست کیتین (که بال از آن ایجاد شده است) می گردد. بر این اساس علائم طیفی بال تغییر پیدا می کند. پر شدن فلس بال ها با نانولوله های کربنی تک دیواره، میزان حساسیت و پاسخ دینامیکی در مجاورت تابش اشعه مادون قرمز را بالا می برد و تغییرات دما در حد 0.02 درجه سانتیگراد در طی مدت زمان 25 میلی ثانیه قابل شناسایی است. این ظرفیت برای طیف سنجی خبر بسیار مسرت بخشی است [1].
فلس ها، هوا را بین ساختارهای کیتین به دام می اندازند، وقتی هوا با یک بخار جایگزین شود، در نتیجه طیف انعکاسی بال مورفو سولکفسکی تغییر می کند و طیف انعکاسی بسیار گسترده ای با درصد بخارهای مختلف ایجاد می گردد که در مورد بخار آّب، متانول، اتانول، و دی کلرو اتیلن جزییات آن گزارش شده است. الگوبرداری از این بال ها می تواند با استفاده از سنسورهای نوری انجام گیرد [1].
حیات آن قدر ساده نیست که بتوان به آسانی آن را شناخت. ساختارهای پیچیده از زمانهای خیلی مدید شکل گرفته اند تا یک یا چند عملکرد ویژه را داشته باشند. خلقت، روش های مختلفی را برای یک عملکرد مشترک استفاده می کند. رنگ ها و پیگمنت ها به وفور در طبیعت وجود دارند تا رنگ هایی را برای اهداف مختلف ایجاد کنند. رنگ های بدون پیگمنت به کرات در حیات دیده میشوند، هم در مخلوقات زنده و هم اشیای غیر متحرک، در این رنگ های ساختاری، آرایه های منظم یا نامنظم به عنوان عناصر پراکنش استفاده می شوند. رنگ های ساختاری معمولاً به صورت تلفیقی با مکانیزم های فیزیکی متعدد تولید شده اند. درک بهتری از این مکانیزم ها و بازی بین آنها به ما کمک می کند تا رنگ های ساختاری مصنوعی را برای پارچه ها، رنگ ها، لوازم آرایشی و کاربردهای دیگر ایجاد کنیم [1].