多色表示を可能にする構造的多様性と乱れの多様性

Structural Diversity with Varying Disorder Enables the Multicolored Display in the Longhorn Beetle Sulawesiella rafaelae.

• Esteban Bermúdez-Ureña
• Cédric Kilchoer
• Nathan P Lord
• Ullrich Steiner
• Bodo D Wilts

抄録

層状のフォトニックナノ構造を介した光制御により、多くのカブトムシ、鳥類、蝶類の印象的な色のディスプレイを可能にしています。異なる反射色を実現するために、天然生物は主に構造の種類を変えるのではなく、屈折率の変化や固定構造設計のスケーリングに依存している。本研究では、ターコイズ色、黄緑色、オレンジ色を呈し、それぞれが変化に富んだ虹色を呈しているオオカブト（Sulawesiella rafaelae）において、異なる発色メカニズムが存在することを明らかにした。本研究では、光学顕微鏡と電子顕微鏡を用いて、これらの色は、構造的な乱れの量が異なる毛状鱗片の多層構造に由来していることを明らかにした。構造解析と光学モデルを用いて、構造の乱れがスケールの光学特性に強く影響を与え、光学応答の独立した調整を可能にしていることを示した。この結果は、多層フォトニック構造における無秩序の相互作用とその生物学的意義を明らかにし、新たな生態学的研究や新規光学部品の開発につながる可能性を秘めています。

Light control through layered photonic nanostructures enables the strikingly colored displays of many beetles, birds, and butterflies. To achieve different reflected colors, natural organisms mainly rely on refractive index variations or scaling of a fixed structure design, as opposed to varying the type of structure. Here, we describe the presence of distinct coloration mechanisms in the longhorn beetle Sulawesiella rafaelae, which exhibits turquoise, yellow-green, and orange colors, each with a variable iridescence. By optical and electron microscopy, we show that the colors originate from multilayered architectures in hair-like scales with varying amounts of structural disorder. Structural characterizations and optical modeling show that the disorder strongly influences the optical properties of the scales, allowing an independent adjustment of the optical response. Our results shed light on the interplay of disorder in multilayered photonic structures and their biological significance, and could potentially inspire new ecological research and the development of novel optical components.

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