花金龟结构色及种间颜色差异研究

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在生物界中,颜色的形成主要有两种来源:色素和光子结构。由色素产生的颜色称为色素色。由光子结构产生的颜色称结构色,它是与光线波长相当的微观结构通过干涉、衍射、散射等途径对入射光线进行调制从而产生特定波长的反射而产生的颜色。结构色具有不褪色、环保和虹彩效应等特点,因此在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。对自然界中生物的结构色形成机理及其应用进行研究,可以为人工光子结构加工及其特异光学功能器件研究提供启发。本文主要研究了花金龟Torynorrhinaflammea的种间颜色差异和构色策略。此外,本文还研究了坦桑尼亚花金龟Ischiopsophabifasciata鞘翅结构色的产生机制。  本文共有四章。在第一章中,我们介绍了自然界中生物的两种构色方式、结构色的几种产生机制和种间构色。  在第二章中,我们介绍了结构色研究的实验方法和理论方法。重点介绍了扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)下样品的制备过程和宏观角分辨光谱测量系统的搭建过程。简单地介绍了结构色研究的理论方法。  在第三章中,我们对花金龟T.flammea的种间结构色差异进行了研究。我们通过电子显微镜观察鞘翅的微观结构,发现其鞘翅具有三维光子晶体微观结构——多层膜复合二维纳米柱状结构;我们还通过光谱测量发现其鞘翅颜色具有负角色散衍射、背散射和反射性质。通过传输矩阵方法进行理论模拟,我们发现这种具有“衍射性质”的结构颜色由多层膜的厚度决定,而负角色散则来源于二维光栅与多层膜的共同作用。花金龟种间结构色差异的研究为新型角色散光学元件的制备提供了有力的理论指导。  在第四章中,我们研究了坦桑尼亚花金龟上bifasciata的结构色。研究中,我们发现它有两类微观结构:类T.flammea的三维光子晶体微观结构和位于其上的弯曲多层膜结构。我们认为弯曲多层膜结构的作用为增大入射立体角范围。通过光谱测量,我们发现这种结构使得衍射角增大,衍射波长范围变宽。坦桑尼亚花金龟的这种微观结构可能有利于其种间通讯。
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