[الهام از خلقت] - رنگ نانوساختاری پروانه مورفو

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
دو پدیده مختلف در رنگی دیدن مواد و محیط اطراف ما نقش دارند. پدیده اول وجود رنگدانه ها در ساختار مواد است. رنگدانه ها بنا بر ماهیت شیمیایی خود با جذب نور ، رنگ های مختلفی تولید می نمایند. اغلب گیاهان و اجسام اطراف ما رنگ خود را مدیون وجود این رنگدانه ها هستند. پدیده دوم ماهیتی فیزیکی دارد، بدین صورت که ساختار فیزیکی مواد می تواند به گونه ای باشد که باعث شکست ، بازتابش ، تداخل و یا تفرق امواج نوری گردد. این تغییرات فیزیکی در امواج نوری عامل رنگی دیده شدن این مواد هستند. پروانه مورفو یکی از گونه های جالب حیوانی است که رنگ خود را مرهون شکست نور در فلس های روی بالش است و نه وجود رنگدانه ها. وجود مثال هایی ازین دست در طبیعت الهام بخش محققین برای ایجاد ساختارهای میکرومتری و نانومتری است که بتوانند با این مکانیسم جایگزین رنگدانه های شیمیایی گردند.


رنگ های نانوساختاری پروانه مورفو

رنگ‌های ساختاری در نتیجه پراکنش نور از میکروساختارهای منظم، لایه های نازک و حتی آرایه های منظمی از نانوذرات شکل می گیرد. اما این رنگ‌ها ساخته پیگمنت‌ها نیستند. مثال‌هایی از تلاٴلوٴ پرنور رنگ‌های ساختاری را می توان در سنگ اُپل و رنگ های درخشنده برخی پروانه ها، مانند گونه ی مورفو آمریکای جنوبی ( پروانه ای آبی با بالهای درخشنده ) و پر طاووس مشاهده کرد. رنگهای ساختاری را می توان در مقیاس صنعتی برای تولید رنگ های ساختمانی، پارچه، وسایل آرایشی و سنسورها استفاده نمود.
منشاء بسیاری از رنگ های حیوانات، به جهت رنگدانه ها و یا پیگمنت‌های شیمیایی موجود در اندام شان است. با چند مورد استثناء رنگ‌های گل ها هم منشاء شیمیایی دارند. رنگ‌های دیگر مثل سرخی شفق و رنگ های زیبا در فلق، رنگ‌های آبی و سبز آب دریا، رنگ‌های رنگین کمان و رنگ‌های خیره کننده ی برخی سنگ‌های معدنی، حیوانات و گیاهان دلایلی کاملاً فیزیکی مانند شکست، بازتابش، پراکنش، تداخل و قطبی شدن نور دارند. چشم های ما نمی تواند رنگ‌ها را بر اساس منشاء آنها که فیزیکی، شیمیایی، یا تلفیقی از این دو می باشد،تشخیص دهد. به علت آنکه مکانیزم های بینایی همگی با پرتوها یا فوتون هایی تحریک می شود که از جسم خارج شده اند و هیچگونه اطلاعاتی را که مبنی بر ساز و کار تولید رنگ باشد، دریافت نمی کنند.
رنگ‌های شیمیایی با جذب نور در پیگمنت ها تولید شده اند. پیگمنت ها موادی با ترکیب شیمیایی معین و تعریف شده هستند و رنگ تولید شده با ذات شیمیایی پیگمنت ارتباط دارد. پیگمنت های طبیعی را می توان با کمک ابزارهای مناسب از بافت رنگی گیاهان، نیل، نرم تن صدفدار یا گلسنگ ها استخراج نمود. پیگمنت ها چه درون پوسته موجود زنده باشند و چه در بیرون آن، می توانند با نور واکنش دهند. بافت ها یا ارگانیسم هایی که تنها رنگ های پیگمنتی دارند هرگز جلا و درخشش سطحی ندارند و با فرو بردن در محیطی که آسیب شیمیایی به پیگمنت وارد نکند تغییر نمی کنند. استخراج مواد شیمیایی از گیاهان و جانوران و تبدیل آنها به رنگ و پیگمنت، تاریخ چندین هزار ساله دارد. در 150 ساله گذشته رنگ های طبیعی، پیگمنت ها و جوهرهای طبیعی ابتدا به مرور و بعد با سرعتی بیشتر با محصولات شیمی آلی مدرن جایگزین شدهاند.
توضیح در مورد سطح رنگی و درخشنده بال‌ پروانه ها که در جمع کثیری از گونه های آن دیده می شود به هیچ مقدمه ای نیاز ندارد. رنگ در بال‌های پروانه‌ها یا منشاء پیگمنتی دارد، یا به میکرو و نانوساختار فلس‌ها و یا هر دو مورد ارتباط دارد. پیگمنت‌ها (عمدتاً ملانین و پترین‌ها) در بال‌های پروانه رنگ‌های زرد، نارنجی- زرد، قرمز، سیاه و قهوه ای را ایجاد می کنند. با این حال پیگمنتی نیست که بتواند رنگ آبی رنگین کمانی، بنفش و سبز مشاهده شده در گونه های مورفو را ایجاد کند.
گونه‌های مورفوژنوس در جنگل های استوایی و فوق استوایی آمریکای جنوبی یافت می شوند که رنگ‌های آبی شیک و درخشانی دارند، اثر رنگی و به شدت متالیک وبرّاق آن ها در شکل 1 نشان داده شده است. رنگ بال‌های این پروانه ها آنقدر روشن است که می توانند از فاصله ای چند کیلومتری تشخیص داده شوند. البته دانه های پیگمنتی به خصوص بیوپترین در فلس های برخی از این گونه های مورفو دیده شده است، اما تعداد آن ها برای تولید رنگ کافی نیست. با ظهور میکروسکوپهای SEM طی دو دهه گذشته مشخص شد رنگ آبی پروانه های مورفو در نتیجه ساختار پیچیده فلس های بال ها ایجاد شده است. این فلس ها زیر یک میکروسکوپ نوری ساده و دستی مشاهده می شود. بال پروانه ها مثل ماهی، فلس دار است. این فلس‌ها دارای شیارهای میکرومتری هستند و چشم به سادگی آن ها را نمی بیند.




شکل 1: مورفودیدیوس(راست)مورفوگودارتی(چپ)


رنگ‌های ساختاری مورفو پدیده ای به نام بازی رنگ ها دارند که در رنگ های براق و فلزی گون سطح برخی سنگ ها، پرطاووس، صدف ها، سوسک ها، ماهی ها و پرنده ها هم وجود دارد و ناشی از بافت نانو و میکروساختار سطح آن ها است.
در پروانه ها، بازی رنگ از پدیده توری پراش که حاصل بازگشت نور از سطوح متناوب است، ایجاد شده است. شیارها و لایههای نازک می توانند با برخی پیگمنت ها در رنگ نهایی موٴثر باشند.




شکل 2: بازی رنگ ها دریک اپل قیمتی و مقایسه آن با ساختار پر طاووس و بال پروانه به همراه تصویر SEM.


میکروسکوپی الکترونی تا حد زیادی به تشریح رنگ ساختاری در سازه‌های زیستی کمک کرده است.با کمک میکروسکوپ الکترونی، معین شده است که برخی معماری‌های خیلی پیچیده، اغلب از یک ساختار تکرار شونده و متوازن تشکیل شده اند و با نور تعاملی دارند که رنگ ایجاد می کند. با این شرایط همچنان تولید رنگ های ساختاری با شباهت بالا به نمونه اصلی، کار دشواری است.حتی اگر در زمان استفاده از ساختار مصنوعی، تکنیک‌های پیچیده ساخت در فناوری نانو استفاده شود. تکنیک‌های پایه حلالی و تکنیک‌های لایه نشانی بخار و لایه نشانی لایه اتمی نمونه ای از این روش ها هستند.
در دو دهه گذشته خیلی از محققان از رنگ‌های ساختاری الگوبرداری کرده اند تا جایگزین های ایمن و جدیدی را برای پیگمنت های سابق توسعه داده و بدین طریق میزان استفاده از مواد شیمیایی مضر و فرار را کاهش دهند. کاربردهایی از این رنگ‌ها در صنایع مختلف مثل وسایل آرایشی، نساجی و رنگ‌های خودرو دیده شده است.
تحقیقات گسترده ای در ژاپن جهت بازتولید آبی مورفو با استفاده از روش لیتوگرافی نیمه رسانا و ساخت واحدهای نانومتری مجزا با دقت 10 نانومتر انجام شد.
در دهه کنونی با توسعه تکنیک های خاص برای ایجاد نانوساختارها، یک حوزه تحقیقاتی جدید با عنوان کپی برداری از الگوهای زیستی مانند بال پروانه و زنجره باز شده است که از تکنیکهای ساخت نانومتری شامل: لایه نشانی لایه اتمی، نانوریخته گری، چاپ نانو و لایه نشانی بخار فیزیکی جهت کپی برداری زیستی استفاده می نماید.
نور در تعامل با مواد دچار تغییر در طول موج یا انرژی شده و از این رو تغییر رنگ می دهد. مکانیزم های زیر برای پدیده های نوری که با رنگ در ارتباط اند، وجود دارد: شکست نور و پخش(دیسپرشن)، انعکاس (رفلکشن)، پراکنش(اسکترینگ)، پراش یا تفرق (دیفرکشن)، این پدیده ها از تداخل (اینترفیرنس) بین امواج نوری هم کمک می گیرند.
دو پروانه لامپرولنیس نیتیدا درگینه نو و پیرلا در آمریکای مرکزی، تابش رنگی فریبنده ای را در بال های جلو، بر اثر تفرق نشان می دهند. وقتی نور از بالا به بال ها می خورد بال ها قهوه ای تیره هستند، اما وقتی نور از کنار به بال ها می خورد، بال ها بازی رنگی دارند و با تغییر زاویه دید، تغییر شدیدی در رنگ مشاهده می شود. پروانه نیتیدا رنگ های سبز و قرمز را در تابش از سمت جلو و رنگ های آبی تا بنفش را در تابش از عقب نشان می دهد. این چند رنگی به این خاطر اتفاق می افتد که بال های جلو دو ساختار نانومتری متفاوت در هر فلس دارند، در نتیجه هر یک از آن ها می تواند علائم رنگی متفاوتی را در جهات مختلف ایجاد نماید. بال جلوی این پروانه نور سفید را تجزیه می کند، اما تنها یک پراش توری می تواند، اتفاق بیفتد. رگه های داخلی شیار فلس ها هم میتواند یک پراش توری با گام حدود 580 نانومتر که تقریباً مسطح است و در طول بال قرار دارد، انجام دهد.




شکل 3: تصویرSEM بال یک پروانه لامپرولنیس نیتیدا

توالی رنگی در پروانه لونا برعکس نیتیدا است. رنگ بنفش در زوایای دید بالا و مایل و نزدیک به سطح بال دیده می شود. رنگهای دیگر از آبی به قرمز در زوایایی که رفته رفته به جهت عمود بر بال ها نزدیک می شود، دیده می شوند. این اثر به خاطر تغییر ماکروسکوپیکی است که در خمیده بودن شکل فلس وجود دارد.
رنگهای ساختاری در حالت کلی رنگ شان با تغییر زاویه دید تغییر می کند. آبی درخشنده پروانه های مورفو این گونه نیست و وابستگی زاویهای کمی دارد، که نشان می دهد باید موضوعی فراتر از مکانیزم فیزیکی عامل آن باشد. هرچند دانه های پیگمنت (علی الخصوص بیوپترین) در فلس های برخی گونه های مورفو دیده می شوند، اما مقدار آن ها به اندازه ای نیست که بتواند آبی طلایی پر رنگی را توجیه کند. در عوض این رنگ ها از تلفیق همزمان تداخل چند لایه نازک(پراش از چند لایه نازک با ضخامت محدود)، پراش توری(پراش از سطوح ناهموار) و ارتفاع ناهمسان رگه های فلس های بال ایجاد می شود. رنگ آبی و رنگ های بنفش بال های پروانه هایپلیمناس آنومالا در آسیای شرقی به دلیل ساختارهای میکرومتری فلس ها ایجاد شده است.




شکل 4: (الف) رنگ آبی بال های پروانه ی مورفو در زوایای دید صفر وکوچک بارنگ روشن در زوایای دید بزرگ جایگزین میشود (ب) قسمتی از فرایند انعکاس نور و ساختار نانوفوتونیک بال.

رنگ آبی مورفو منشاء فیزیکی دارد. این رنگ ها بیشتر به خاطر این موضوع جذاب شده اند که رنگ روشن را در زوایای دید بالا با تیره جایگزین می کنند. تلاٴلوٴ براق مورفو از ساختار میکروسکوپی فلس های شفاف بدون رنگ در محدوده 100 میکرومتر نشاٴت گرفته است که سطوح بال های فوقانی را پوشش می-دهد. حدود 15 فلس در هر میلیمتر از سطح بال وجود دارد و هر فلس، دسته ای با 12 شیار میکروسکوپی هم فاصله و موازی دارد. این سطح طرح دار پراش توری معادل با یک دوره d بین 650 و 800 نانومتر را ایجاد می کند. یک شیار معمولاً 15 شعبه طولی دارد ( برخی گونه های مورفو 6 تا 10 شعبه در هر طرف دارند ) که همگی به طور یکنواخت از هم فاصله دارند و هر یک ضخامتشان از کسری از طول موج مرئی بیشتر نیست و تراکم 700 تا 2000 صفحه مولکولی در هر میلیمتر دارند. این ساختار درختی شکل دارای صفحاتی از کیوتیکلها میباشد. ضریب شکست این ماده 1.56 است. بسته به گونههای مختلف پروانهها، این ساختارها به شکل موثری، نوارهای طیفی با عرض 150 تا 300 نانومتر را منعکس میکنند. پدیدههای رنگی که قله انعکاس آنها در 45 تا 65 درصد انعکاس است ، طول موجهایی بین 400 الی 460 نانومتر را میتاباند. این طول به رنگهای آبی زیبای مورفو تعلق دارد.
مکانیزم فیزیکی رنگهای ساختاری مورفوژنوس به طور کامل بررسی شده است. انعکاس بالا در منطقه آبی طیف از تداخل چند لایه ایجاد میشود. انعکاس نفوذی به خاطر عرض کم و ارتفاع نامنظم شیارها رخ میدهد. پیگمنتهای آبی هم رنگ ساختار را شدت میدهند. در نهایت فلسهای شفاف بال پروانه به صورت پخشکنندههای نوری عمل میکنند و اثر براق بودن را ایجاد میکنند. بنابراین تلفیق 4 مکانیزم متفاوت آبی مورفوی درخشان را ایجاد میکند.




شکل 5: تلفیق همراه 4 مکانیزم عامل برای آبی مورفو رنگین کمانی(تفرق چندلایه، عرض متفاوت، تداخل چندلایه ای، پیگمنتها)

تلاشهای زیادی انجام شده است تا از درخشش نیلگون پروانههای مورفو کپی برداری کند، اغلب تکنیکها موفق بوده است. تکنیکهای ریختهگری نانو casting، نانوچاپimprinting، لایه نشانی بخار فیزیکی، لایه نشانی لایه اتمی و تکنیکهای تلفیقی هنوز هم در حال توسعه است.
درتلاشهای اولیه برای تولید مورفو به شیوه آزمایشگاهی از ساختارهای خودآرایی شده میکروکرهها و نانوکرهها استفاده شده است. در این تلاشها، از کرههای پلی استایرن استفاده شده که قطری نزدیک به فاصله شیارهای روی بالهای مورفو دارند. ساختارهای ساخته شده، روی زیرلایههای بزرگ تولید شده و محدوده طول موج و تلاٴلوٴی آبی مورفو را نشان داده است. نیمه بالای شکل 6 (الف)،تصویر SEM شیارهای موازی فلس بال مورفو را نشان میدهد و نیمه پایینی تصویر مربوط به آرایه کرههای پلی استایرنی با قطر 953 نانومتر است که بر روی یک صفحه شیشهای قرار گرفته است.




شکل 6: (الف) قسمت بالایی تصویر SEM ، رگه های موازی روی فلس بال یک مورفو و پایین عکس، آرایه های ذرات پلی استایرن روی یک تکه شیشه. (ب) مقایسه بین بال مورفو استوفلی (چپ) و بال مصنوعی ساخته شده از کره های پلی استایرن 953 نانومتری روی یک تکه شیشه (راست). درخشش و زاویه دید به ترتیب حدود 60 تا 90 درجه است و تابش از سمت چپ شکل است.

روش دیگر حک خشک (dry-etch) یک زیرلایه با تکنیکهای پرتو الکترونی است. شیارهای موازی، هر کدام تعداد زیادی انشعابهای موازی یا تیغهای دارند که حکاکی شده و عرض رگه و فاصله رگه ها را به مانند فلس بال پروانه ایجاد کرده است. ارتفاع انشعابها به طور تصادفی انتخاب شده تا ارتفاع غیریکنواخت رگه های بال مورفو را تقلید کند. زیرلایه ساخته شده در انعکاس، رنگ، وابستگی زاویهای و ناهمسانی رنگی شبیه به بال مورفو است.
هیچکدام از دو روش ذکر شده منظم و غیر منظم خودی خود نتوانست به تنهایی ساختار بال مورفو را کپی برداری کند، بلکه تلفیق این دو موفق بود.
شاید مستقیمترین راه برای بازتولید رنگهای برّاق بالهای پروانه کپی برداری مستقیم از مورفولوژی خود بال با اطمینان نانومتری باشد. تکنیکهای کپی برداری متعددی توسعه پیدا کرده است. این روشها از خود بال به عنوان مُهر استفاده میکنند و نوعی قالب گیری انجام میدهند که شکل خود بال را ایجاد میکند.
در روش سل ژل، کپی برداری با پر کردن نواحی حفره دار بال پروانه با سل آغاز میشود، بعد از خشک کردن ساختار، بال واقعی از آن جدا میشود، به این روش کلسینه کردن یا حک گفته میشود. این فرآیند یک مهر منفی را از سُل خشک شده ایجاد میکند. این تکنیک را میتوان با لایه نشانی بخار شیمیایی هم انجام داد تا مناطق حفرهدار را پر کند.




شکل 7: تصویرSEM یک بال پروانه (راست ) و بال کپی برداری شده به روش مستقیم(چپ)

یک مهر مثبت میتواند از پر کردن مناطق حفره دار مهر منفی و حذف مواد الگوی منفی ایجاد شود، اما ذات ظریف بال پروانه، اعمال این مرحله را دشوار میکند.
یکی از کاربردهای برجسته رنگهای ساختاری در منسوجات است. این کاربرد اولین بار با ساخت پارچه مورفوتکس شکل گرفت. الیاف این پارچه از مقطعی چند لایه در مغز الیاف تولید شده که با ذوب ریسی انعقادی تولید میشود.




شکل8: تصویر پارچه ای از الیاف مورفوتکس.

دو کاربرد دیگر از بالهای درخشنده پروانه مورفو سولکفسکی استخراج شده است. علت انتخاب این گونه از خانواده مورفو به خاطر حالت های ویژهای است که روی فلسهای بال آن وجود دارد. در مقایسه با سایر گونهها در این خانواده، فلسهای این پروانه تراکم شیار بالاتری دارند و شکل شیارهای آنها کمی مایل است و ساختار شاخهای منظمتری در آنها دیده میشود و از همه مهمتر مقادیر قابل اغماضی پیگمنت در آنها است که نور را جذب میکند و انعکاس را کاهش میدهد. انعکاس فلسها هم با انبساط حرارتی و هم با محبوس شدن بخار در قسمتهای توخالی فلس تغییر میکند.
وقتی بال مورفو سولکفسکی با نور مادون قرمز متوسط (طول موج 3 تا 8 میکرومتر) روشن میشود، قسمتی از نور تابیده شده توسط بال جذب میگردد که باعث انبساط حرارتی بال و افزایش فواصل بین شیار فلسها و بزرگ شدن ساختار لایه لایه درختوار فلس میشود و حرارت همچنین منجر به کاهش ضریب شکست کیتین (که بال از آن ایجاد شده است) میگردد. بر این اساس علائم طیفی بال تغییر پیدا میکند. پر شدن فلس بالها با نانولولههای کربنی تک دیواره، میزان حساسیت و پاسخ دینامیکی در مجاورت تابش اشعه مادون قرمز را بالا میبرد و تغییرات دما در حد 0.02 درجه سانتیگراد در طی مدت زمان 25 میلی ثانیه قابل شناسایی است. این ظرفیت برای طیف سنجی خبر بسیار مسرت بخشی است.
فلسها، هوا را بین ساختارهای کیتین به دام می اندازند، وقتی هوا با یک بخار جایگزین شود، در نتیجه طیف انعکاسی بال مورفو سولکفسکی تغییر میکند و طیف انعکاسی بسیار گستردهای با درصد بخارهای مختلف ایجاد میگردد که در مورد بخار آّب، متانول، اتانول، و دی کلرو اتیلن جزییات آن گزارش شده است. الگوبرداری از این بالها میتواند با استفاده از سنسورهای نوری انجام گیرد.
حیات آن قدر ساده نیست که بتوان به آسانی آن را شناخت. ساختارهای پیچیده از زمانهای خیلی مدید شکل گرفتهاند تا یک یا چند عملکرد ویژه را داشته باشند. خلقت، روشهای مختلفی را برای یک عملکرد مشترک استفاده میکند. رنگها و پیگمنتها به وفور در طبیعت وجود دارند تا رنگهایی را برای اهداف مختلف ایجاد کنند. رنگهای بدون پیگمنت به کرات در حیات دیده میشوند، هم در مخلوقات زنده و هم اشیای غیر متحرک، در این رنگهای ساختاری، آرایههای منظم یا نامنظم به عنوان عناصر پراکنش استفاده میشوند. رنگهای ساختاری معمولاً به صورت تلفیقی با مکانیزمهای فیزیکی متعدد تولید شدهاند. درک بهتری از این مکانیزمها و بازی بین آنها به ما کمک میکند تا رنگهای ساختاری مصنوعی را برای پارچه ها، رنگها، لوازم آرایشی و کاربردهای دیگر ایجاد کنیم.

منابع:

کد:
[LEFT]1. J. m. Benyus, Innovation inspired by nature Biomimicry, J. ECOS, No 129, 2006.
2. A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291
3. L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.
4. NatureTech Technology, video, part 1&2&3.
5. H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.
6. D. Lee, Nature’s palette: the science of plant colors, Univer¬sity of Chicago Press, Chicago, IL, USA (2007).
7. W.D. Bancroft, The colors of colloids. VII, J Phys Chem 23 (1919), 365–414.
8. H. Ghiradella, Light and color on the wing: structural colors in butterflies and moths, Appl Opt 30 (1991), 3492–3500.
9. K. Kumazawa and H. Tabata, Time-resolved fluores¬cence studies of the wings of Morpho sulkowskyi and Papilio xuthus butterflies, Zool Sci 13 (1996), 843–847.
10. A.L. Ingram and A.R. Parker, A review of the diversity and evolution of photonic structures in butterflies, incorporating the work of John Huxley (The Natural History Museum, London, from 1961 to 1990), Phil Trans R Soc Lond B 363 (2008), 2465–2480[/LEFT]
[COLOR=#3C3D35][FONT=nassim][SIZE=4]
[/SIZE][/FONT][/COLOR]

نویسنده: حسن سلیمی (نویسنده اول) - کارشناسی ارشد - مهندسی نساجی - دانشگاه صنعتی امیرکبیر
 
بالا