蝴蝶，不只让庄周着迷

大自然孕育了数不清的物种，并赋予每一物种以独特的魅力。蝴蝶便是其一，甚至有庄周梦蝶的佳话流传。

蝴蝶种类繁多，翅膀颜色五彩斑斓，并且雨露不沾。近年来，科学家通过不断探究，解开了蝴蝶翅膀的神秘面纱，不仅推动了基础研究领域如纳米科学材料的深度广度，更是为人工仿生领域拓宽了思路和视野。

目前材料科学对蝴蝶的研究重点是蝴蝶翅膀颜色的来源即光子晶体研究和蝴蝶翅膀的高疏水性及应用等。作为研究热点，目前众多课题组通过不同视角展开了大量工作，取得很多成果，但是与天然蝴蝶相比，人工智能材料的成就仍然只是迈出了一小步。

（1）蝴蝶翅膀颜色的来源

蝴蝶翅膀的颜色是一种结构色（structural color），这一概念的理论模型是具有纳米尺寸的“光子晶体（photonic crystal）”，光子晶体结构具有的“光子带隙（photonic bandgap）”特性使其对光波的穿透具有波段选择性并因而表现出独特的光学现象。

光子晶体概念的提出以及对其纳米结构对称性特征等的研究虽然极大推动了对蝴蝶翅膀结构及颜色的理解和研究，但是直到2010年Richard O. Prum等科学家利用小角X射线散射技术（Small angle X-ray scattering）对灰蝶科和凤蝶科蝴蝶翅膀的解析才完全证实了蝴蝶翅膀的微观结构，这一工作成果发表在美国国家科学院院刊（PNAS）上。

该工作证实了凤蝶科蝴蝶翅膀的微观纳米结构是空间对称性为I4132的单连续的螺旋二十四面体结构（singlegyroid），而非单连续的金刚石结构（single diamond）。这些科学家不仅解析出天然蝴蝶翅膀的结构，并且通过人工合成手段制备出了同一结构，解析结果与原结构一致。

上述工作为天然蝴蝶翅膀的结构揭开了一层面纱，但是如何在实验室以较低成本并且有效的方式制备大规模结构仍然是目前亟待解决的难题。

（2）蝴蝶翅膀的雨露不沾的特性

蝴蝶的翅膀不仅斑斓绚丽，并且不会被水滴等浸湿，这可以使它们保持自净和防止结冰，有利于更好的生存。

具有超疏水性质的材料是近年来材料应用领域的一大热门，因此研究并设计具有非润湿表层（non-wetting surface）的材料具有重大的意义。James C. Bird和Rajeev Dhiman两位科学家在研究中发现，材料的超疏水性质与水滴在表层结构上反冲前的接触时间有很大关系，通过对人工材料的研究和蓝蝴蝶翅膀表层结构的分析对比，发现蓝蝴蝶翅膀的纳米结构具有超级高的超疏水性质，独特的表面缩短了水滴接触时间，并使其能极快反弹。该工作成果发表在Nature期刊上。

接受BBC news采访时，该工作的作者之一Kripa Varanasi教授认为蓝蝴蝶翅膀的微观结构应该是目前发现的疏水性最高的材料。他建议人们应该考虑去学习蓝蝴蝶等生物的特性，设计出效率更高的功能材料投入应用。

对蝴蝶的研究让人们体会到了大自然的神奇魅力，格物致知，留心自然孕育出的生命体，思考其中的科学道理，不仅可以推动科学的发展，也会带给我们惊喜。

1. http://www.pnas.org/content/107/26/11676.full?sid=0f0ee0de-6668-497d-ab62-1970653e45d6

2. http://www.nature.com/nature/journal/v503/n7476/abs/nature12740.html

3. http://www.bbc.com/news/science-environment-25004942

（作者：白小维）