Метелики – прикраси природи

Метелики — це живі дорогоцінні камені. Їхні яскраві кольори й переливи створюють не лише естетичне враження, вони справжня наука. Знання про забарвлення метеликів пояснюється хімією та фізикою і використовується інженерією. 

Донедавна вчені вважали, що забарвлення всіх тіл залежить тільки від присутності в них барвників і пігментів, здатних поглинати якусь частину променів видимої частини спектра і пропускати, якщо матеріали прозорі, або відбивати, якщо вони не прозорі, довжини хвиль. Ту частину спектра, яку відбивають матеріали, наше око сприймає як колір.

У цьому випадку колір залежить від хімічних речовин —  пігментів. Вони поглинають одні хвилі світла й відбивають інші. 

Наприклад:

Жовтий колір лимонниці.

Чорні і коричневі плями на крилах багатьох метеликів.

Однак відносно нещодавно з'ясувалося, що природа вже 500 мільйонів років може створювати забарвлення і без спеціальних забарвлених речовин лише за рахунок упорядкованих структур дуже маленьких розмірів  —  нанорозмірів. 

Цей механізм фарбування, на відміну від «хімічного», заснований лише на оптичних принципах.

Колір створюється мікроструктурами, які взаємодіють зі світлом. 

Коли світло відбивається від наноелементів, структурованих у полішарі — ґрати, мереживо, борозенки, то, оскільки розміри цих елементів можна порівняти з довжиною хвилі світла, відбувається інтерференція, дифракція та розсіювання хвиль — у результаті бачимо колір. Таке забарвлення оптичного походження назвали «структурним». Виявляється, воно поряд зі звичайним зустрічається в природі досить часто  в комах, птахів, риб, морських молюсків і рослин і нерідко  —   у метеликів.

Можна вважати, що перший натяк на поняття «структурне забарвлення» з'явився в XVII столітті в дослідника природи Роберта Гука в його книзі «Micrographia». Учений виклав свою теорію кольорів і пояснив забарвлення тонких шарів відображенням світла від їхньої верхньої та нижньої меж. Фактично це була перша згадка про інтерференцію. Правильне пояснення структурного забарвлення вперше дав лорд Джон Вільям Стретт Релей у 1917 році. Він вивів формулу виявлення властивостей відбитого світла регулярних шаруватих структур і стверджував, що забарвлення подвійного кристала, старого потрісканого скла й покриву жучків і метеликів обумовлене ​​не пігментами, а структурою цих матеріалів. Також Релей зауважив, що ці «оптичні системи характеризуються розміром, який можна порівняти з довжиною хвилі падаючого світла».

 Електронна мікроскопія показала, що різноманітне забарвлення крил метеликів сімейства Morplro та інших теж виникає за рахунок структури лусочок. Розмір їхніх осередків та геометрія визначають довжину хвилі відбитого світла та його інтенсивність.     

Частина хвиль підсилює одна одну — ми бачимо яскравий колір.

Інші хвилі гасяться — і деякі кольори зникають.

Коли світло проходить через тонку плівку,  відбите від верхнього і нижнього країв плівки,  воно може бути в різних фазах. Якщо фази цього  відбитого світла не збігаються, ми не бачимо кольору — це деструктивна інтерференція. Якщо фази збігаються, ми бачимо колір — це конструктивна інтерференція. Різниця у фазах залежить від товщини плівки, її показника заломлення, кута освітлення та довжини хвилі світла. За певних умов, а саме товщини плівки і показника заломлення, можна побачити лише один колір. В інших випадках, як на крилах чи панцирях, спостерігається цілий спектр кольорів, у тому числі чорний, білий, а також райдужний або опалесцентний ефекти.

Зміни умов, наприклад, додавання розчинника з іншим коефіцієнтом заломлення, можуть уплинути на структурне забарвлення. Наприклад, крапля ацетону на крилі метелика змінює синій колір  на зелений. Після випаровування ацетону фарбування повертається. Якщо розчинник має коефіцієнт заломлення, подібний до кутикули, усі шари лусочки утворюють гомогенну оптичну систему, що усуває інтерференцію, залишаючи лише коричневий меланін.

Періодична структура оптичної системи важлива для заломлення світла. У 3D структурах, таких як фотонні кристали, забарвлення не залежить від кута зору. Опал є класичним прикладом 3D структури. Подібні структури зустрічаються в хітинових покривах жуків та крилах африканських метеликів. У метеликів зустрічаються структури, названі «зворотний опал», що мають сітку з дірочками, заповненими повітрям, і можуть бути використані для створення нових типів фотонних кристалів.

Усе це створює яскраві переливчасті кольори, які можуть змінюватися залежно від кута огляду та освітлення.

Ми бачимо колір там, де немає пігментів.

Природні технології є надзвичайно досконалими, і хоч їх важко повторити, з 60-х років ХХ століття дослідження біологів, фізиків, хіміків та математиків призвели до значних результатів у біоміметиці. У колористиці почали з’являтися перші спроби імітації структурного забарвлення, яке має кілька переваг: воно є більш енергоефективним і екологічним порівняно з виробництвом барвників, а також стійке до світла, на відміну від традиційних фарб, які часто вицвітають. Однак структурне забарвлення залишається складною нанотехнологією з багатьма нерозв’язаними проблемами. Наприклад, плівки зі структурним забарвленням спочатку були білими через дефекти в їхній структурі, але додавання частинок, які поглинають світло, дозволило отримати синє забарвлення. Крило метелика Morpho має супергідрофобні властивості, що стало можливим і для цих плівок. Одна з перспектив — використання таких матеріалів для створення самоочисних пофарбованих поверхонь.

Структурне забарвлення метеликів відкриває перед нами світ, де краса створюється не хімічними пігментами, а взаємодією світла та матерії.

Дослідження цього явища тривають, і хто знає, можливо, саме крило метелика стане ключем до наступної великої технологічної революції.

Morpho: королі структурного забарвлення

Анненкова Анна, 10Ам 

Загалом, метелики належать до надзвичайно різноманітної групи комах, яка налічує понад 20 тисяч видів у всьому світі. Вони відіграють важливу роль в екосистемах, будучи опилювачами багатьох рослин і частиною харчових ланцюгів. Кожен вид метелика має свій унікальний життєвий цикл, що включає стадії яйця, гусениці, лялечки й дорослого метелика. Метелики вражають не лише своєю красою, але й складністю своїх поведінкових та екологічних адаптацій. Вони пристосувалися до різних середовищ існування: від тропічних лісів до пустель, від альпійських лугів до прибережних зон. 

У своїй літературній творчості Набоков часто використовував метеликів як метафори для складних тем. Наприклад, у «Лоліті» образ метелика символізує швидкоплинність краси та невинності. У багатьох його творах можна знайти детальні описи природи, що відображають його глибоке захоплення природним світом у цілому й метеликами зокрема.

Набоков також був активним колекціонером метеликів, зібравши велику колекцію, яка нараховує тисячі зразків. Колекція була настільки значущою, що після його смерті вона стала частиною фондів кількох музеїв. Набоков не лише досліджував метеликів, але й ділився своїми знаннями та пристрастю до них з іншими, проводячи лекції та публікуючи статті на тему ентомології.

Метелики Набокова живуть у специфічних біотопах, таких як прерії та луги з великою кількістю кормових рослин для їхніх гусениць. Вони також є індикаторами здоров'я екосистеми, тому що чутливо реагують на зміни в навколишньому середовищі. Захист цих метеликів передбачає заходи зі збереження їхніх природних середовищ існування і відновлення популяцій у регіонах, де вони знаходяться під загрозою.

Метелик Набокова має унікальні особливості, які роблять його відомим не лише серед науковців, але й серед любителів природи. Здатність адаптуватися до різних умов середовища, відмінності в забарвленні крил між самцями і самками, а також  поведінкові особливості роблять його об'єктом численних досліджень і спостережень.

Крила метеликів укриті крихітними лусочками, які складаються з кератину. Вони утворюють різноманітні візерунки й кольорові ефекти, які можуть слугувати для маскування, залякування хижаків або приваблення партнерів. Іридесценція — це явище, коли колір крил змінюється залежно від кута падіння світла, що створює неймовірний перелив кольорів. 

                                                Лусочки на крилах метеликів

Володимир Набоков був не лише талановитим письменником, але й видатним ученим. Його знання про метеликів були такими глибокими, що багато ентомологів з великою повагою ставляться до його робіт. Набоков проводив багато часу, досліджуючи метеликів у природі та лабораторіях. Він написав кілька важливих наукових статей, що значно вплинули на галузь ентомології.

В автобіографії "Speak, Memory" Набоков описав своє дитинство та молодість, де метелики були невід'ємною частиною його життя. Він розповідав, як годинами міг спостерігати за ними, вивчати їх і ловити для своєї колекції.

Метелики — це не лише барвисті прикраси природи, але й важливі наукові об’єкти досліджень. Завдяки таким пристрасним ентузіастам, як Володимир Набоков, ми можемо не лише насолоджуватися красою, але й глибше розуміти їхню роль у природі. Його літературні та наукові роботи залишаються джерелом натхнення для багатьох поколінь, нагадуючи нам про гармонію і велич світу навколо нас. Метелики, що переливаються кольорами і світлом, показують нам, як краса може бути індикатором здоров'я навколишнього середовища, а їхня делікатність і вразливість нагадують нам про важливість захисту нашої планети.

Савченко Назар, 10Ал