天空為什么是藍色？
彩虹為什么是彩色？
自然界中有很多奇異的光學現象，例如雨后的彩虹是源自光與雨滴折射率之間納米級的變化引起的，而我們所看到的七種顏色是由高度周期性的系統產生的。其中，我們看到的顏色強弱不僅取決于材料之間的折射率對比，也取決于重復次數。因此，使用高折射率材料能夠形成更薄的光學元件。
隨著生物的不斷進化，它們本身所具有的功能也在不斷地改進以適應大自然，因此它們自身的結構與功能也能夠為科學技術的發展提供幫助。蝙蝠超聲波為科學家們帶來的靈感創造了雷達；通過水母耳朵的結構功能設計出的水母耳風暴預測儀；根據螢火蟲的光而發明出的人工冷光等。而螳螂蝦和扇貝，則因為如望遠鏡般“炯炯有神”的眼神，而被稱為“水底世界眼神最好”的生物。
有鑒于此，以色列魏茨曼科學研究所Benjamin A. Palmer和Dan Oron等人在Nature Nanotechnology報道了對蝦眼睛的光學研究，探討了納米材料對光和物質相互作用的影響。
迄今為止，在散射領域使用的納米顆粒要么是簡單的膠體納米顆粒，要么是核殼結構納米顆粒，并且只有使用無機材料（例如TiO2）才能提高折射率。
然而Benjamin A.Palmer等人發現，由高密度的異黃蝶呤空心納米球組成的凡納濱對蝦眼睛的絨氈層，具有優越的散射強度。這種空心納米球的殼是由異黃蝶呤單晶組成，且該單晶排列在空心核周圍的同心薄片中。
異黃蝶呤是一種雙折射有機材料，在該平面內的平均計算折射率（n0=1.96）是迄今為止報道的生物材料中的最高折射率。當這種空心納米顆粒的直徑在330 nm且中空核直徑在70 nm時，其顯示出非常低的多分散指數。
圖1. 不同尺度下凡納濱對蝦眼睛的結構示意圖。
同時，作者發現蝦眼中的異黃蝶呤薄片晶體形態與理論上的預測有很大不同。深入了解生物體內晶體的形成和組裝，有利于實現僅由生物材料構成的人工散射元件的制備。
另外，除了通過增強的折射率對比度來增強反向散射之外，異黃蝶呤晶體的同心排列還能夠減小來自有序周期性結構中反向散射的角度依賴性。這為彩色各向同性材料的合成提供了靈感，且這些材料已被證明對新型顏料等應用具有重大意義。
總之，大自然總是會給我們帶來精細，讓我們驚嘆于造物的神奇。我們受自然啟發，對這種生物納米結構的善用，將為涂層、繪畫以及光子器件、薄反射器等各個領域帶來新的機會。
參考文獻：
1. Benjamin A. Palmer et al. A highly reflective biogenicphotonic material from core–shell birefringent nanoparticles. NatureNanotechnology 2020.
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0609-5
2. Lukas Schertel, Silvia Vignolini. Nanotechnology in ashrimp eye’s view. Nat. Nanotechnol., 2020, 15, 87-88.
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0645-1
