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“带结晶水的宝石”——巨蝽属绿色巨蝽体色性质与保色方法探索

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半翅目荔蝽科巨蝽属的一些种拥有鲜艳的绿色而体型硕大,具有观赏价值,似乎很适合做成标本。可是实际上,该类蝽在制成标本后颜色多会褪去,变为普通的棕褐色。为了解决这个问题,本文通过对几只巨蝽属的昆虫(Eusthenes sp. 湿虫,购于淘宝)进行了试验,初步掌握了该种昆虫体色的性质并从该性质出发尝试设计保色方法,下文将描述研究过程与结论(试验还没有做完,还在探索更好的保色方法因此很抱歉没有“省流助手”,可能会持续更新)
此外,楼主的专业并不是昆虫学,因此在本文中有关昆虫分类学、名称、结构等方面有不规范的地方还请各位多多包容。


IP属地:贵州来自iPhone客户端1楼2023-01-19 13:19回复
    体色性质的初步判断:
    取一只蝽,放置在灯光下观察,可以发现其头,胸部以及前翅为绿色,且该颜色随入射光角度变化而变化,绿色在光掠射时下明显,在光直射时偏向褐色。


    IP属地:贵州来自iPhone客户端2楼2023-01-19 13:21
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      且整姿展开后发现,腹部背面有金属光泽的绿色,其在入射光直射时为绿色(图1)入射光掠射时变为蓝紫色(图2),而使用袖珍分光镜观察直射时的反射光谱结果如图3。(手机没能对焦,肉眼看到的谱带更细)
      根据以上信息,该种这种蝽绿色应该是物理色而非化学色。因为从入射光角度而言,化学色素色鲜见颜色随角度变化而变化的(除了一些具有多色性的晶体);而从反射光谱的角度而言,谱带极窄,集中在540nm左右的绿光。而由于一个分子具有多个振动能级和转动能级,很难得到单纯的电子光谱,这就导致多数化合物的紫外-可见光谱都是较为平滑的山峰型曲线,极少有化合物(包括前面题到的的多色性晶体)产生如此细窄的光谱。两点互相补充地暂时否认了化学色素色的可能,这说明本种蝽的结构色就应该是结构色,可是一般认为结构色都是稳定不易破坏的,为何在此种昆虫的标本制作过程中褪去?
      以下用一只蝽(就叫他小明吧)的实验来探究。


      IP属地:贵州来自iPhone客户端3楼2023-01-19 13:27
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        我对“小明”采取了多数人(至少据我所知是多数人)常用的标本制作方法:整姿后烘干。
        由于寒假已放不在学校,加之学院估计也不愿意提供条件来给我做这个事,在家中没有烘箱,此处选择一个热风机代替,其所吹风的温度约为32摄氏度。(实验条件如图1图2所示)
        “小明”刚整姿完成的状态上一楼的图1,而烘干一段时间后,小明的体色明显褪去(如图3)。
        较为神奇且富含信息量的是,停止加热烘干一段时间后,体色有所恢复(如图4注意与图3对比腹部右侧的四条绿色带即可发现,肉眼观察时比照片更明显)


        IP属地:贵州来自iPhone客户端4楼2023-01-19 13:34
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          继续实验,将小明用热风吹至完全干透,此时可发现,头胸部绿色已然完全褪去,腹部背面的金属绿色变成了淡淡的紫色(图1)。
          由于“绿色是结构色”的假设、腹部结构色并没有褪去,只是改变颜色的的现象以及停止吹风时,绿色恢复的现象,我认为该褪色可逆。
          为了验证假设,我将水浸于湿纸巾,敷于小明身上。结果发现绿色神奇地回来了回来了(图2,注意观察小盾片上的水滴下泛着绿色)
          于是进一步用水浸泡小明,果然发现头胸部的绿色恢复,而腹部背面的金属绿色未能恢复(图3,请忽视那一滴白胶)


          IP属地:贵州来自iPhone客户端5楼2023-01-19 13:38
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            由此获知,水是该绿色结构色形成所需要的条件。昆虫结构色形成的主要方式是几丁质以各种方式形成的多层薄膜或等效于多层薄膜的结构,在白光入射时引起光的多次薄膜干涉以至于显著地反射一定颜色的光。
            例如闪蝶翅膀,多个几丁质-空气-几丁质-空气的脊状结构构成等效于多层薄膜的结构,该结构干涉加强蓝光,因此反射光中蓝光较多,从而呈现蓝色。而在酒精等物质浸润翅膀时,几丁质空隙间的空气被酒精取代,折射率由原本的1变化为约1.36,从而导致鳞片光学性质变化,蓝色消失,变为暗绿色(如果条件合适使得水能够浸润,翅膀依然会褪色,因为水的折射率1.33也大于空气)
            此处假设小明这一类蝽的结构色与闪蝶的形成方式相反,正常情况下为几丁质-水-几丁质-水结构,该结构反射光中绿光干涉加强,而风干后结构变为几丁质-空气-几丁质-空气,介质折射率由1.33变为1,光学性质发生变化,不再干涉加强绿光。


            IP属地:贵州来自iPhone客户端6楼2023-01-19 13:43
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              为了验证假设的正确性,做了以下实验:用95%乙醇浸泡刚出水的小明。
              如果假设正确,水是可以被乙醇取代的,结果应为:头、胸部以及盾片的绿色依然保持,腹部金属绿色随着乙醇的渗入逐步恢复。
              如果假设错误,该结构色仅能由水来形成,结果将是乙醇将脱去体表的水分,头、胸部以及小盾片的绿色再次褪去,腹部背面亮绿色不会恢复。
              在经过一天浸泡后结果如下:头、胸以及翅部绿色保持,腹部亮绿色结构色略有恢复(如图)可见上一楼的假设有正确的可能性。


              IP属地:贵州来自iPhone客户端7楼2023-01-19 13:59
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                厉害了


                IP属地:福建来自Android客户端8楼2023-01-19 14:01
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                  同时,为了排除上述结果是热风机的热对结构的破坏所致的褪色,我对第二只同种蝽(叫它李华吧)做了另一种处理:整姿后放入装有氯化钙干燥剂的柜盒避光阴干。
                  李华同学刚刚整姿完成的状态如图1,李华同学干燥5天后的状态如图2,可见身体各处结构色还是褪去了。
                  这说明:将该种蝽制成干制标本时,若不做任何处理,无论用何种方式干燥不能保持其颜色,因为该体色褪去的原因正是脱水。


                  IP属地:贵州来自iPhone客户端9楼2023-01-19 14:06
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                    到此,看似该种巨蝽与干制标本无缘了,但是我们还是能尝试想出一些办法。说点题外话:
                    由于我是半个化学生,之前在高中养各种盐类的晶体的时候,有些颜色鲜艳的盐的晶体中含有结晶水,而久置在空气中后,结晶水会丢失,从而是的晶体表面粉碎,对于五水硫酸铜来说,这一点是致命的,因为失去结晶水形成的三水、无水硫酸铜色淡且为粉状,这与该种蝽的情况相似,这也是标题“带结晶水的宝石”的名字由来。
                    因此,产生了第一个办法:可以借用保存五水硫酸铜晶体使之免于风化,该方法是在结晶水还在时,给晶体刷上一层保护层,如透明指甲油或者喷漆光油。待两者在表面凝固行成保护层后,便可保护结晶水不丢失。


                    IP属地:贵州来自iPhone客户端10楼2023-01-19 14:15
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                      还有第二个办法,来源于“刚刚说到的浸入几丁质多层薄膜的液体只需要折射率合适即可产生结构色,不一定是水”这一个实验结果,可以将风干的这种巨蝽放入刚刚调配的慢干透明环氧树脂中,让环氧树脂取代水分子浸入几丁质的空隙中,代替水成为折射率相近的介质,随后凝固,变为拿取和观赏都很方便的标本,即将该种巨蝽做成水晶滴胶包埋标本。


                      IP属地:贵州来自iPhone客户端11楼2023-01-19 14:19
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                        这两个设想我目前已经再开始做了,第一个办法还在观察保护膜是否能够保护体色不褪去,而第二个办法所需的环氧树脂还在快递来的路上。
                        请容许我在确认了上述方法的有效性以及将操作注意事项理清后再将整理好的具体方法更新至本帖。


                        IP属地:贵州来自iPhone客户端12楼2023-01-19 14:23
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                          同时,这个对体色形成机制的猜想能够解释先前加热烘干时颜色褪去,停止加热后颜色有所恢复的现象:
                          因为热风机带走了表面的水分,因此此时形成结构色的水被空气取代,从而褪色。而又因为此时并非虫体内所有的水都被吹干,存在于内部的水渗透向体表,直到整个虫体各个部位含水量接近均一。此时体表失去的水被体内的水补充,因此体色会有所恢复。但完全吹干后就不会再恢复了,因为没有水能够补充体表结构色所需的水了。


                          IP属地:贵州来自iPhone客户端13楼2023-01-19 14:34
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                            在第三楼所写的有关反射光谱做的解释我想一些说明及更正。
                            首先关于我测量波长的方法。可见我使用的光栅式分光镜没有波长标尺,我通过将所得光谱与低压钠灯的光谱重合,通过其已知波长谱线的位置来大致断定该种蝽腹部光谱峰的大概位置。
                            其次我想更正一点:
                            但如果按照当时用于反证的假设,解释成某种化合物分子的反射光谱,需要澄清绿光峰并不能比作分子中的电子在不同分子轨道间跃迁所产生的(因为这是反射光谱不是发射光谱,而我当时弄混了)。因此,这个角度的解释就当做我单纯认为它不像化合物的光谱吧。。。


                            IP属地:贵州来自iPhone客户端14楼2023-01-20 08:38
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                              新年好各位,第一种解决思路的效果大概如图1和图2,本次处理以李华同学(整姿后阴干5天的那一只蝽)为材料,具体操作如下:
                              1. 整姿李华,完成后放入装有无水氯化钙干燥剂的柜盒阴干5天。此时标本颜色变得黯淡。(图见前几楼“李华同学”干燥后的样子)
                              2. 将李华腹面朝上浸入水中,约30~60分钟后捞出擦干。此时标本颜色恢复,仍然保持上次整姿的大致姿势,但肢体略微还软,可以运动。
                              3. 用废报纸垫着标本,标本【背面朝上】地放置在报纸上,然后用190光油(如图3,即通常说的表面透明清漆)喷漆对着标本喷一层。在光油未干时注意后翅前翅不要重叠,后翅不要与后足粘黏(如图4,滑稽表情眼睛盯着的地方)以免光油干后无法分开。
                              4. 等待30分钟左右光油凝固,重新进行整姿,固定翅膀(此步用时明显少于上次整姿,大致形状是对的,略作调整即可)。
                              5. 放进装有无水氯化钙的盒子中阴干3天左右,标本颜色大致保留,肢体不再能自由运动。
                              6. 用废报纸垫着标本,标本【腹面朝上】,然后喷一层190光油,凝固后装盒。


                              IP属地:贵州来自iPhone客户端15楼2023-01-21 20:44
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