Дифракция бабочки

Посмотрите на микрофотографию крыла и определите его цвет

Окраска растений и животных может иметь химическую или физическую природу. В первом случае цвет получается благодаря пигментам — веществам, которые поглощают какую-то часть видимого диапазона света: в результате тот отражается от крыльев жука или оперения птицы не полностью и приобретает определенный цвет. Во втором случае свет отражается каким-то специфическим образом из-за того, что падает на поверхность, покрытую периодическими бороздками нанометрового масштаба, — на них световые волны интерферируют и из всего спектра отбираются волны только определенной длины.

Мы подготовили для вас тест: попробуйте определить цвет крыла бабочки, изучив его наноструктуру. Для самой грубой оценки можно считать, что коэффициенты преломления внутри бороздок и между ними примерно одинаковые и равны 1,6 и что свет падает на них под одинаковым углом. Тогда длину волны первого максимума интерференции — как правило, именно эта волна дает окраску — можно рассчитать по формуле λ ≈ 2 × 1,6 × L, где L — период текстуры. Вооружитесь линейкой, формулой выше и — дерзайте.

Длины волн в видимой части спектра:

красный цвет — от 770 до 622 нанометров,
оранжевый — от 622 до 597 нанометров,
желтый — от 597 до 577 нанометров,
зеленый — от 577 до 510 нанометров,
голубой — от 510 до 480 нанометров,
синий — от 480 до 455 нанометров,
фиолетовый — от 455 до 380 нанометров (граница видимого спектра).

1. Нанотекстура на крыльях бабочек бывает нескольких типов. Например, на поверхности крыльев бабочек рода Morpho ученые обнаружили чешуйки с вертикальными пластинами, на которых расположены «полочки». Расстояние между этими полочками одинаковое на всей поверхности крыла, и именно за счет этого у него появляется цвет. Какой?
2. Теперь, когда мы понимаем, на что надо смотреть и что считать, следующая задачка будет попроще. Это еще одна бабочка из того же рода Morpho. Какого цвета ее крылья, если чешуйки выглядят вот так?
3. Здесь на чешуйках крыльев снова есть гребни, которые удерживаются маленькими горизонтальными «скрепами» (и сами, в свою очередь, соединяются горизонтальными перемычками покрупнее). Какие-то из этих структур и дают цвет. Какой?
4. У этой бабочки микрорельеф крыльев совсем другой. Но он тоже влияет на окраску крыльев. Здесь еще есть наклонные стенки, поэтому в нашу формулу для грубой оценки нужно добавить еще и угол падения света α: λ ≈ 2 × 1,6 × L × sin α. Какая окраска будет у бабочки с такой поверхностью крыльев?
5. Еще один способ структурного окрашивания — отражать свет не нанометровыми периодическими выступами, а использовать полупрозрачные горизонтальные слои. Если они расположены с определенным периодом, то за счет интерференции окраска появится и здесь. У следующей бабочки крылья имеют именно такую структуру: на первый взгляд кажется, что они расположены несколько неупорядоченно, но на самом деле использовать качественную оценку для длины волны можно и здесь. Какого цвета крыло с такой структурой?
6. У бабочек со слоистым типом структуры крыльев есть еще один важный параметр, связанный с окрашиванием — это количество отраженного света. Эта величина зависит уже не от периодичности структур на поверхности крыла, а от параметров подложки, на которой они закреплены. Вот, например, по этим двум микрофотографиям крыльев можно понять, какая из этих двух бабочек будет светлее.
7. Это еще одна бабочка со слоистым типом окрашивания. У нее крыло двухцветное, один из цветов — голубой. Он появляется за счет структурно-пигментного способа окрашивания и угадать его только по периоду поверхностной текстуры невозможно. Зато второй цвет образуется именно за счет сложной геометрии поверхности крыла — она как раз на фотографии. Какой это цвет?
8. Кроме бороздок и слоистых структур, некоторые насекомые используют для окрашивания и куда более сложные трехмерные фотонно-кристаллические структуры. Например, окраску крыльев бабочки родов Callophrys, Parides и Cyanophrys создают гироидные структуры — двухкомпонентные взаимонепрерывные среды, которые отражают свет только определенной длины волны. Ориентироваться на нашу приближенную формулу λ ≈ 2 × 1,6 × L можно и здесь, но для этого сначала на трехмерной решетке фотонного кристалла придется найти межплоскостные расстояния между слоями, которые будут отличаться в зависимости от ориентации структуры. Поэтому и цветов будет несколько.

Вот так, например, выглядит микрорельеф крыла Cyanophrys remus (на рисунке A вид вид на крыло сверху, а на рисунке B — поперечный срез). Какие цвета будут характерны для крыла этой бабочки?

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.