من أين تأتي ألوان الفراشات الرائعة؟

سيرج بيرتير

في العديد من الحضارات، تعد الطبيعة مصدرًا للمواد الخام أكثر من كونها مصدر إلهام، ولكن في ظل القيود المزدوجة المتمثلة في التوسع السكاني واستنفاد الموارد، بدأت الأمور تتغير. تسخير الموارد الطبيعية بطريقة أكثر فاعلية وملاءمة للكوكب ومرونة، هذه هي بالضبط الطريقة العفوية التي تعمل بها الطبيعة.

بينما نستخدم جميع العناصر الكيميائية الموجودة، فإن الطبيعة تستخدم عمليًا ستة فقط (الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت). ورغم ذلك، فإن النتائج رائعة! الطبيعة ترشدنا لطريقة أخرى للقيام بذلك. فاليوم يعد الإلهام الحيوي أحد خطوط البحث النشطة للغاية لضمان مستقبلنا على الأرض. يعرض معرض دائم بمدينة العلوم والصناعة أسس هذا النهج وأمثلة على الإنجازات في جميع المجالات.

اللون، وهو مكون عالمي لبيئتنا، يعد مثالًا جيد جدًا. هنا تنير الفراشات الطريق لنا!

اللون ليس كمية مادية قابلة للقياس، ولكنه انطباع يصنعه الدماغ تحت تأثير إشارات بصرية مختلفة. لا أحد، حتى المنتمون إلى نفس الفصيلة، يرى الألوان بنفس الطريقة، ومن الضروري عندما يتخيل المرء ردود فعل الفراشات على ألوانها، أن يحذر من مركزية الإنسان (Anthropocentrism). على سبيل المثال، العديد من أنواع الحيوانات ترى بالأبيض والأسود، وتلك التي ترى الألوان لا تراها مثلنا، مثلا الحشرات ترى القليل من اللون الأحمر، لكنها حساسة للأشعة فوق البنفسجية.

الأخضاب في الحراشف

الأخضاب هي جزيئات تمتص جزءًا من الطيف المرئي لتظهر الجزء الآخر فقط. الخُضاب الذي يمتص الأزرق والأرجواني، على سبيل المثال، سيعكس فقط الألوان الأخرى التي يتكون منها الضوء الأبيض، وسيظهر باللون الأحمر.

توفر الأخضاب الغالبية العظمى من الألوان “الدافئة” (من الأحمر إلى الأصفر). كلما زاد حجم الجزيء، زادت الأطوال الموجية التي يمكن أن يمتصها. للحصول على اللون الأزرق (طول موجي صغير)، يجب امتصاص اللون الأحمر (الطول الموجي الطويل)، وبالتالي الجزيئات الكبيرة. هذا ما يفسر سبب ندرة الأخضاب الزرقاء في الطبيعة وصعوبة تركيبها. في الفراشات، توجد فقط في الأنواع النادرة جدًا، مثل خطافيه الذيل وبعض أنواع الحورائيات.

يتم تحويل الطاقة التي تمتصها الأخضاب بشكل أساسي إلى حرارة. لذلك فالأخضاب تشارك أيضًا في التنظيم الحراري للفراشات (التي تسخن نفسها بالطاقة الشمسية).

مصدر الأخضاب متعدد: الميلانين (من الأسود إلى الأصفر)، على سبيل المثال، يصنعها الكائن الحي بنفسه، بينما بعض اليرقات تصنعها من النباتات التي تتغذى عليها حيث تشارك في تلوين(اليافعة) بعد الانسلاخ. بعض الأخضاب سامة وتحمي الحشرة من الحيوانات المفترسة، هي ما تسمى (التحذير اللوني).

باعثة الضوء

تبعث اليراعات والديدان المتوهجة الضوء نتيجة تفاعل كيميائي معروف، وهو “ضيائية حيوية”. من ناحية أخرى، تشع الفراشات الضوء من خلال (الفلورية): بعض الجزيئات ينبعث منها ضوء مرئي تحت الضوء فوق البنفسجي.

كفاءة الفلورية ضعيف بشكل عام، ولكنه كافي في بعض أنواع الفراشات لتعديل مظهرها تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية الشمسية، مثلما هو الحال لكل من فراشة مورفو سولكوفسكي (Morpho sulkowskyi)، الفراشة الزرقاء الأسطورية من الأمازون، وفراشة ترويدس ماجلانوس من الفلبين.

الهياكل النانوية للتأثيرات البصرية الملونة

أُنشئ التلوين الهيكلي، بواسطة ظواهر بصرية مختلفة. على سبيل المثال تداخل الأغشية الرقيقة، مثل تلك التي نلاحظها على بقعة زيت في أرض مبللة. توجد مثل هذه الطبقات في العديد من الحشرات، ولكن أيضًا توجد في الريش (الطاووس، حلق الحمام) وقشور السمك (السمك الأبيض).

يمكن أن ينشأ التلوين الهيكلي أيضًا من حيود الضوء من خلال الحزازات (المسارات) المتقاربة، كما هو الحال على قرص مضغوط (CD) أو الانتشار عن طريق ذرات صغيرة جدًا، مسؤولة عن زرقة السماء.

لايرتبط التلوين الهيكلي بامتصاص الأخضاب، ولكن بفصل الطول الموجي. تُنشئُها الهياكل الفوتونية، أي المعماريات الدورية التي تكون فترتها حسب حجم الأطوال الموجية للضوء. فهي بشكل عام مشرقة للغاية وموجهة ومشبعة؛ ولكن إذا كانت الهياكل النانوية مضطربة، فإن الألوان تكون غير لامعة وليست شديدة التشبع.

استخدام البشر لحيل الفراشات

منذ بداية البشرية، الأخضاب هي التي لونت حياتنا. عيب صغير: كثير منها غير مستقر للغاية وتتحلل تحت تأثير الضوء. الخطر: بعضها، وبشكل متزايد، تعتبر مسرطنه لهذا يحظر استعمال بعضها، لا سيما في مستحضرات التجميل.

لذلك فإن فكرة صنع الألوان بدون أصباغ هي فكرة منتشرة! لكن لهذه الهياكل النانوية الملونة أيضًا العديد من الخصائص الأخرى: مضادة للبكتيريا (لا يمكن للبكتيريا أن توجد هناك)، مقاومة للماء (الماء لا يخترق الهياكل، يبقى الجناح جافًا)، التنظيف الذاتي. الطبيعة مقتصدة، ومتعددة الوظائف.

هذه كلها خصائص نود تطويرها على أسطحنا الاصطناعية: النوافذ والأقمشة ومجمعات الطاقة الشمسية. بصرف النظر عن أبسط الهياكل مثل الطبقات الرقيقة (في الطلاء المضاد للانعكاس في البصريات على سبيل المثال)، لا نعرف كيفية صنعها، وتشكل الهياكل الطبيعية مصدرًا لا حصر له للإلهام. بدون محاولة استخدامها مباشرة، يمكننا دراستها وفهم كيفية عملها ومحاولة إعادة إنتاجها. على سبيل المثال، ألياف النسيج هي هياكل مستوحاة من الفراشات.

كيفية تغيير لون الكائن

في حين أن ألوا الخضاب غير قابلة للتغيير، فإن تلك الناتجة عن الهيكل النانوي تعتمد على هندستها والفهرس الأيوني للمواد التي تتكون منها.

يؤدي التغيير في اتجاه البنية النانوية إلى تعديل هندستها (الميل يكفي لتعديل الكثافة التي يتقاطع معها الضوء) ويخلق تقزحًا، وهو لون يختلف وفقًا لزاوية النظر أو زاوية الضوء. توجد هذه التقنية في العديد من الدهانات الفاخرة للقوارب أو السيارات.

يتم تغيير المؤشر بسهولة في الهياكل الصلبة / الهوائية. تغيرات اللون جذرية وتستخدم هذه التقنية في أجهزة الكشف عن البخار. يتسبب البخار، حتى في آثاره، الذي يخترق بنية فوتونية في إحداث تغيير محدد وقابل للقياس في لون الجزيء.

أفكار لشاشاتنا؟

في الشاشات الرقمية الحالية لأجهزة التلفزيون أو الهواتف الذكية، تحجب وحدات البكسل الملونة باللون الأحمر والأخضر والأزرق أو تسمح لأشعة الضوء من مصدر موجود في الخلف بالمرور تحت تأثير التيار الكهربائي. يمثل هذا المصدر أكبر مستهلك للطاقة في الجهاز. من الممكن الاستغناء عنه باستخدام بكسلات التداخل مثل الفراشات التي قد تعكس الضوء الخارجي أو لا تعكس. يؤدي كل بكسل عمل حراشف الفراشة، ويمكن تغيير سمكه باستخدام التيار الكهربائي. في حالة عدم وجود تيار كهربائي، فإن البكسل الأزرق على سبيل المثال كثافته ينتج عنها تداخل بناء في اللون الأزرق؛ مع مرور التيار، تنخفض الكثافة وتصبح التداخلات مدمرة لهذا اللون.

المصدر: https://theconversation.com/dou-viennent-les-merveilleuses-couleurs-des-papillons-152836