Vẻ đẹp lộng lẫy của loài bướm

2012-10-large
Vẻ đẹp trên cánh bướm (Photograph by Charles Krebs, Olympus BioScapes)

Sự phản xạ ánh sáng trên cánh của loài bướm Prola Beauty cho thấy một vẻ đẹp rực rỡ màu sắc. Với hình ảnh tuyệt đẹp của mình, Charles Krebs đã giành vị trí thứ mười trong cuộc thi hình ảnh BioScapes được tổ chức hàng năm. Điều tôi muốn nói ở đây không phải về giải thưởng cho bức ảnh, mà những gì bạn thấy khi bạn nhìn mọi thứ ở kích thước rất nhỏ (hình ảnh trên được thu nhỏ với kích thước 200x).

Loài bướm có một đôi cánh mỏng manh và óng ánh dưới ánh nắng ban mai, vẻ đẹp đó đã được bao họa sĩ và nhà thơ khắc họa từ xa xưa:
…Giá đừng có dậu mùng tơi
Thế nào tôi cũng sang chơi thăm nàng
Tôi chiêm bao rất nhẹ nhàng
Có con bướm trắng thường sang bên này…
~Người hàng xóm – Nguyễn Bính~

Giờ đây với tiến bộ của khoa học, chúng ta đã hiểu được điều gì ẩn sau vẻ đẹp mê hoặc chúng ta đến vậy. Khi còn nhỏ lúc tôi hay đi tìm bắt những chú bướm đẹp, tôi cứ ngỡ rằng màu sắc đẹp đẽ đó là do được tô nhộm lên mỗi chú bướm. Còn giờ, ngồi đây thì tôi hiểu rằng những màu sắc phức tạp đó là do sự tương tác giữa ánh sáng và cấu trúc cực nhỏ (nanô và micrô) trên bề mặt cánh bướm. Thậm chí cả những con côn trùng khác cũng vậy, nó không phải là do sự tô vẽ của chúa trời. Đơn giản rằng, với mỗi một cấu trúc bề mặt cánh bướm khác nhau chúng sẽ có màu sắc khác nhau, không con nào giống con nào, giống như vân tay của chúng ta vậy.

Bằng việc nghiên cứu trên loài bướm Morpho, một loài bướm điển hình có cánh lớn màu xanh. Quan sát ban đầu người ta thấy rằng khi thay đổi hướng quan sát, màu sắc cánh bướm cũng thay đổi. Do đó không thể giải thích màu sắc cánh bướm giống như sắc tố da của chúng ta. Quan sát kĩ lưỡng hơn cho thấy, hiện tượng màu xanh chuyển dần sang màu tím chỉ khi tầm nhìn có hướng song song với cánh bướm. Như vậy màu sắc trên cánh bướm Morpho có đặc chưng khuếch tán và bất đẳng hướng. Một tóm lược cơ bản về vài hiện tượng quang học trên cánh bướm Morpho được thể hiện như trong Hình 1 như sau: (1) Vùng màu xanh của cánh bướm chủ yếu là do sự giao thoa từ cấu trúc đa lớp. (2) Chiều cao không đều của các dải phá hủy sự giao thoa giữa các dải lân cận và kết quả là sự khuyếch tán trong một tầm nhìn rộng. (3) Sắc tố da cũng đóng vai trò tăng cường màu xanh của cánh bướm. (4) Các vẩy trên cánh đóng vai trò như bộ khuếch tán quang học và làm giảm độ bóng của cánh bướm. Tất cả hiện tượng trên đều đến sự xuất hiện màu xanh trong cánh bướm Morpho.

Morpho butterfly-1
Hình 1. Cấu trúc cánh bướm Morpho [1]
Để xác nhận giả thuyết trên, các nhà khoa học đã chế tạo một cánh bướm Morpho nhân tạo như trong Hình 2. Vì vậy cơ chế hình thành màu xanh trên cánh bướm đã được xác nhận, tuy nhiên để chế tạo nhân tạo được một cánh bướm Morpho hoàn hảo vẫn còn là câu chuyện trong tương lai, vì vẫn còn nhiều vấn đề phát sinh. Ví dụ sự nhấp nhô về chiều cao của các dải (hay độ nhám) là bao nhiêu thì là tối ưu nhất. Nếu quá nhám thì sự tán xạ sẽ làm trắng bề mặt, còn nếu nhám ít thì sẽ sảy ra hiện tượng phản xạ. Chúng ta thật khâm phục tự nhiên đúng không nào các bạn,😀.

Morpho butterfly-2
Hình 2. Mẫu nhân tạo bắt chước cánh bướm Morpho, với cấu trúc đa lớp mẫu thay đổi màu từ xanh thành tím khi thay đổi góc nhìn. [3,4].
Giờ chúng ta đã hiểu chút ít về cấu trúc trên cánh bướm Morpho hình thành và thay đổi màu sắc như thế nào. Tuy nhiên tự nhiên rất phong phú và còn rất nhiều cấu trúc khác có thể tạo lên màu sắc như vậy. Từ con bọ cánh cứng đến các loài chim, chúng đều sở hữu một cách riêng để tạo nên vẻ đẹp cho tự nhiên. Đương nhiên mọi thứ vẫn đi theo một quy luật vật lý nào đó. Tôi xin giới thiệu một cấu trúc nữa vẫn của loài bướm, đó là loài bướm Papilio blumei của Indonesian.

Screenshot from 2013-01-08 09:16:42
Hình 3. Cấu trúc của cánh bướm P. blumei [4]
Như được mô tả trong Hình 3e, cấu trúc của cánh bướm P. blumei bao gồm các hõm rất nhỏ với kích thước vài micrô. Cấu trúc này cũng bao gồm nhiều lớp xếp chồng nên nhau, do đó tại mỗi hõm đã sảy ra sự chọn lọc ánh sáng. Ánh sáng vàng được phản xạ tại đáy của hõm, còn ánh sáng xanh đi tới thành hõm bị phản xạ sang thành hõm đối diện và đi lên theo hướng ngược lại (Hình 3f). Do đó chỉ có màu vàng và màu xanh được phản xạ và kết hợp thành màu xanh lá cây trong mắt chúng ta khi nhìn loài bướm P. blumei (Hình 3a).

Đó là khoa học, chúng cũng không khô khan lắm🙂, Còn bạn, liệu có thể giải thích hộ tôi con số 88 trên cánh bướm dưới đây là sao không?

butterflies-neglecta-sartore_1368_600x450
Photograph by Joel Sartore

[1] S. Kinoshita and S. Yoshioka, Chem. Phys. Chem. 6, 1442 (2005).
[2] S. Yoshioka, S. Kinoshita, and A. Saito, Oyo Butsuri 73, 939 (2004).
[3] K. Watanabe, T. Hoshino, K. Kanda, Y. Haruyama, and S. Matsui, Japan. J. Appl. Phys. 44, L48 (2005).
[4] M. Kolle, P.M. Salgard-Cunha, M.R.J. Scherer, F. Huang, P. Vukusic, S. Mahajan, J.J. Baumberg, and U. Steiner, Nature Nanotech 5, 511 (2010).

One comment

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s