研究人員使用納米3D打印來研究孔雀蜘蛛如何呈現(xiàn)彩虹

近幾年，3D掃描和3D打印機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于自然界的研究方面貢獻(xiàn)了重要力量，使得科學(xué)家們能夠更加親近的觀察復(fù)雜而迷人的結(jié)構(gòu)。最近，科學(xué)家們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域又有了最新突破，是關(guān)于澳大利亞的彩虹孔雀蜘蛛。 一組研究人員使用3D納米打印技術(shù)來弄清楚它是如何產(chǎn)生多色虹彩顯示的，他們的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在可以用于各種工程應(yīng)用。

澳大利亞的孔雀蜘蛛可能是蜘蛛綱家族中最引人注目的成員，而彩虹孔雀蜘蛛是它們中最令人印象深刻的物種。雄性彩虹孔雀蜘蛛用醒目的彩色顯示器來吸引伴侶，五毫米大小的蜘蛛比孔雀更進(jìn)一步，因?yàn)樗�能夠呈現(xiàn)全彩的彩虹。 這是自然界唯一有這種能力的生物，一組研究人員想知道它究竟有多可能。

這個(gè)研究項(xiàng)目是跨學(xué)科的，由加利福尼亞圣地亞哥大學(xué)斯克里普斯海洋研究所的博士后Bor-Kai Hsiung領(lǐng)導(dǎo)。 他從博士學(xué)位的時(shí)候就開始了， 在Todd Blackledge和Matthew Shawkey的指導(dǎo)下，研究自然如何出現(xiàn)虹彩，并且從極端的相反的兩端接近問題。 除了彩虹孔雀蜘蛛之外，他還研究了非彩虹色藍(lán)色狼蛛的解剖結(jié)構(gòu)。

他接著組建了一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)，其中包括來自阿克倫大學(xué)，加州理工學(xué)院，內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校，比利時(shí)根特大學(xué)，荷蘭格羅寧根大學(xué)和澳大利亞的生物學(xué)家，物理學(xué)家和工程師。 他們開始著手確定彩虹孔雀蜘蛛彩虹的顏色是如何起作用的。 研究小組利用光學(xué)和電子顯微鏡，高光譜成像，成像散射測(cè)量和光學(xué)建模。 這些技術(shù)使他們能夠?qū)χ┲氲膹?qiáng)烈虹彩是如何通過其尺度創(chuàng)造出一些普遍的假設(shè)，然后轉(zhuǎn)向3D打印以便測(cè)試這些假設(shè)。

使用專門的納米3D打印技術(shù)構(gòu)建原型并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終證明彩虹色是由專門的腹部鱗片產(chǎn)生的。 蜘蛛的鱗片結(jié)合了表面上的納米級(jí)衍射光柵結(jié)構(gòu)的翼型微觀三維輪廓。 表面納米衍射光柵與尺度的微觀曲率之間的相互作用導(dǎo)致光分離和分離成其分量波長(zhǎng)，這產(chǎn)生強(qiáng)烈的彩虹顯示引起我們的注意，更重要的是，合格的雌性蜘蛛。 通過比現(xiàn)在人造工程技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的更精細(xì)的角度和更小的距離來實(shí)現(xiàn)光的分離和隔離。

加州理工學(xué)院的研究合作者之一Radwanul Hasan Siddique說：“作為一名工程師，我發(fā)現(xiàn)這些蜘蛛結(jié)構(gòu)色彩令人著迷的是，這些長(zhǎng)期進(jìn)化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)如何能夠超越人類工程學(xué)。 “即使采用高端制造技術(shù)，我們也無法復(fù)制確切的結(jié)構(gòu)。我不知道這些蜘蛛如何把這些奇特的結(jié)構(gòu)模式集合在一起！“

彩虹孔雀蜘蛛如何產(chǎn)生自己的小彩虹的發(fā)現(xiàn)可能被證明是工程和其他領(lǐng)域的重大發(fā)展，其規(guī)模機(jī)制可能會(huì)影響彩色和光線技術(shù)的新突破。研究結(jié)果可能有助于克服目前光譜操作的局限性，以及減小光譜儀的尺寸。這可以用于需要在一個(gè)非常小的封裝中進(jìn)行精細(xì)光譜分辨率的應(yīng)用，特別是空間探索任務(wù)的儀器或工業(yè)環(huán)境的可穿戴式化學(xué)探測(cè)系統(tǒng)。

編譯自：3der