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为解决在可见光谱范围内制造具有特定周期性和光学特性材料的难题，研究人员对金粉象甲（Hypomeces squamosus）鳞片的光子晶体结构展开研究。他们发现其鳞片由三维金刚石型几丁质 - 空气光子晶体构成，且制备的二氧化钛复制品带隙红移。这为新型光学材料研发提供了思路。
在奇妙的自然界中，动物们有着各种各样独特的 “色彩魔法”。动物的颜色来源广泛，包括吸收、散射、发光和干涉等方式，而其中因光与折射率周期性变化的材料相互作用产生的干涉，能呈现出绚丽的结构色。三维（3D）光子晶体更是有着神奇的特性，它拥有光子带隙，能禁止特定波长的光在某些方向传播。但对于生物光子晶体来说，由于几丁质和空气之间的折射率对比度较低（约 1.55） ，通常难以形成完全的光子带隙。
在光学技术领域，如激光器、发光二极管和光波导等，光子带隙材料有着巨大的应用潜力。若想在可见光谱范围内发挥作用，材料的周期性需在几百纳米左右。然而，利用传统的如嵌段共聚物、光刻或激光蚀刻等技术来实现这一周期性颇具挑战，此时，从自然界的生物结构中寻找灵感成为了新的研究方向。许多甲虫和象鼻虫的鳞片中含有金刚石光子晶体，这些天然结构可作为模板，有望制造出具有完全光子带隙的材料。
在这样的背景下，研究人员开展了对金粉象甲（Hypomeces squamosus）鳞片的研究。金粉象甲是一种危害多种农作物的害虫，但其鳞片却隐藏着独特的光学奥秘。研究人员对其鳞片的光子晶体结构进行深入探究，该研究成果发表在《Beilstein Journal of Nanotechnology》上。
研究人员运用了多种关键技术方法。在观察和分析鳞片结构时，使用了反射光显微镜和光谱学技术，以研究光子结构的光学特性；借助扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM） ，清晰地观察到鳞片的外部和内部结构；通过等离子体蚀刻技术处理鳞片，为后续制作二氧化钛复制品做准备；利用二氧化钛溶胶 - 凝胶化学方法，成功制备出负复制品；采用有限差分时间域（FDTD）法进行全波光学建模，模拟光子晶体的光学行为。
研究结果
- 鳞片的外观和结构：金粉象甲的身体和鞘翅覆盖着彩虹色的鳞片，翅膀和身体上的鳞片多呈绿色，腿部的则偏蓝色。单个鳞片在显微镜下颜色较为均匀，反射光谱显示在 450 - 600nm 之间有峰值，且反射幅度高于漫反射参考标准，表明存在定向反射。经检测，鳞片由几丁质和一种吸收短波长的色素组成。通过 SEM 和 FIB-SEM 观察发现，鳞片有上下皮层，上层皮层较厚且有起伏，下层皮层较薄且平坦，内部是三维周期性纳米结构的几丁质 - 空气网络，几丁质填充分数约为 0.44，估算出单金刚石单元晶胞大小为 427±4nm。
- 反射率的空间分布：通过不同孔径照明和互易空间成像发现，鳞片由一到三个随机取向的单金刚石网络光子晶体域组成。不同取向的域在互易空间图像中呈现不同形状，如接近 {111} 方向的域产生绿色或黄色中心六边形图像，接近 {100} 方向的域中心有蓝色方形区域。此外，{100} 取向的域会使反射光发生偏振转换，且不同取向域的反射光谱峰值位置不同。
- 二氧化钛复制品呈现红移：利用等离子体蚀刻和二氧化钛溶胶 - 凝胶工艺制作出金粉象甲鳞片的负复制品，有橙色和蓝绿色两种。与原始鳞片相比，复制品的反射光谱峰值发生红移，{100} 和 {111} 取向的域分别红移约 110nm 和 125nm，这是由于二氧化钛与几丁质的折射率差异以及填充分数的增加。
- 建模证实折射率对比度增加：对 {100} 取向的金刚石光子晶体进行全波模拟，结果显示负复制品在折射率为 1.90 时，反射率峰值从约 440nm 移动到 540nm，且峰值反射率增加约 25%，与实验测量结果相符，但实验光谱比理想化模型更宽。
研究结论与讨论
金粉象甲的鳞片是一个复杂的光子系统，其绿色源于鳞片内三维金刚石型几丁质 - 空气光子晶体结构与光的相互作用。单个鳞片虽颜色鲜艳饱和，但在扩展光源下整体呈现均匀绿色且低镜面反射，这是因为鳞片内晶格取向随机，多种光学效应相互平均。
研究人员通过生物模板法制备的二氧化钛复制品，虽保留了原鳞片结构，但带隙红移 70 - 120nm。通过与理想化模型对比，推测制备的二氧化钛光子晶体有效折射率在 1.75 - 1.90 之间，这与部分二氧化钛薄膜的折射率范围相符，表明该模板法制备的三维二氧化钛结构孔隙率未显著增加。
这项研究意义重大，金粉象甲鳞片的光子晶体结构为理解生物光学现象提供了新视角，其独特的光学特性和结构可作为生物启发设计的范例。制备二氧化钛复制品的成功，展示了溶胶 - 凝胶技术在复制复杂生物光子结构方面的潜力，为定制光子带隙、开发新型光学材料奠定了基础。未来，优化溶胶 - 凝胶过程，如采用双反转工艺、使用高折射率对比度材料或具有非线性光学特性的材料，有望进一步推动光学材料领域的发展。
