互动科普

复眼中的秘密

研究人员发现，光在蛾子眼睛表面的反射极其微弱，对于这些在夜晚活动的昆虫，这既可以帮助它们在昏暗的月光或者星光下更好地看清周围环境，也可以避免由于眼睛反射光线而被捕食者发现。那么蛾子究竟是凭着什么方法减弱光在眼睛表面的反射呢？

和其他昆虫一样，蛾子的眼睛也是复眼，即由许许多多直径只有几十微米的单眼组成。如果我们用扫描电子显微镜观察，就会发现这些单眼的表面并不是平滑的，而是布满了许多高几百纳米，直径和间距都不到100纳米的矮柱，而且这些柱子实际上顶部较窄，底部则略宽，而正是这些微观结构让光在蛾子复眼表面的反射降到了微乎其微的程度。

图1. 扫描电子显微镜下的一种蛾子的复眼，可见其表面的微观结构。图中标尺分别为5微米（左）和500纳米（中、右）。 图/Doo-Hyun Ko et al.

在前面我们提到，如果在玻璃表面覆盖一层折射率为1.25的材料A构成的薄膜，能让更多的光进入玻璃。如果我们在A的薄膜表面再覆一层材料B的薄膜，让B的折射率介于A和空气之间，例如等于1.1，那么不难看出，总的反射将变得更弱，也就是说会有更多的光穿过薄膜A并进入玻璃。

接下来我们在薄膜A和玻璃之间也插入一层新的薄膜C，让它的折射率在A和玻璃之间，则反射将进一步削弱。只要不断重复这一过程，在原先界面的两种材料间插入折射率居中的薄膜材料，那么虽然发生反射的界面越来越多，而总的反射程度却能愈加削弱。如果覆盖在玻璃表面的薄膜层数足够多，那么薄膜界面间的反射也就越加不明显，而相当于是一层折射率逐渐过渡的材质。光也在“不知不觉”间就离开空气进入玻璃了。这种连续变化的折射率正是削弱反射的最有力武器。

蛾子复眼表面的微观结构正是利用了这个原理。虽然我们在电子显微镜下能够清晰看到许多纳米尺度的小圆顶，但由于它们的尺寸比光的波长还要小，因此对光线来说，可等同于一种折射率介于生物体和空气之间的物质，具体数值相当于其中两种物质折射率按所占比例的加权平均。这样，我们可以把这种微观结构看成一层层薄膜叠加在一起：这些矮柱上小下大，从上至下空气占的比例越来越小，相当于每层薄膜的折射率从空气到眼睛逐渐变化，因此反射的程度自然十分微弱。不难看出，这种方法并不需要借助薄膜干涉来发挥作用，因此几乎对所有波长的光都能有效地发挥作用，同时也不依赖于入射的角度，真正做到了“专”与“博”的结合，是用于增透膜的最佳的选择。有趣的是，这种微观结构对水具有很强的排斥作用，因此在帮助增加光的透射的同时，还能尽量避免水气凝结在蛾子眼睛表面影响视线，这不能不让人惊叹演化的奇妙。

实际上，人们很早就知道折射率呈梯度或者连续变化的材料是降低反射最有效的途径，但由于低折射率的固体材料比较少见，因此一直苦于找不到合适途径来实现。而蛾子复眼的独特结构让研究人员茅塞顿开，原来借助于纳米结构，问题就可以迎刃而解了。随着纳米技术的发展，关于新型增透膜的研究如雨后春笋一般涌现。例如要让常规的固体材料折射率低达1.07近乎天方夜谭，但如果将许多纳米尺度的二氧化硅小柱子排列在一起，只要保证足够多的空气充斥其间，就可以很容易做到这一点。

图2. 上图为采用纳米结构的新型增透膜的示意图和电镜照片，n为材料的折射率，t为材料的厚度，下图为增透效果图，可以看出，采用薄膜干涉原理的增透膜仅对特定波长起到最佳效果，而纳米结构能够进一步提高增透效果。   图/Sameer Chhajed et al.

除了更好地挖掘纳米技术的潜力，关于增透膜还有其他许多方面也需要我们继续探索。例如，以更加简便廉价的方式将增透膜覆盖到各种材料表面，提高增透膜的耐久性，甚至让增透膜“身兼数职”，既能削弱反射，还能防止污垢与微生物附着等。这一技术经过了上百年的发展，仍然以独特的魅力吸引着众多研究人员为它奉献汗水和智慧。下一次当你拿起相机、打开电脑或是在使用太阳能电池时，不要忘记，增透膜正在默默地为我们奉献。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）