生物鸟嘌呤晶体双体结构及其在宽带反射中的作用

由于高折射率、生物和环境兼容性以及磁响应性能的优势，生物产生的鸟嘌呤晶体已成为生物启发式先进光学材料设计和制造的源头。许多生物体内易得的含氮代谢物质鸟嘌呤被用于晶体的许多生物功能组装中。薄片状鸟嘌呤晶体负责许多非凡的光学现象，例如偏振不敏感的宽带反射、可调谐和动态结构颜色。已经发展出各种策略来开发不同的鸟嘌呤晶体结构，以促进动物相关的生物功能。尽管晶体结构存在差异，但在生物系统中发现的鸟嘌呤晶体都被确定为无水 β 多晶形 (P1121/b，a=3.59 Å，b=9.72 Å，c=18.34 Å，β=119.5°)，并且薄板形态的生物产生的鸟嘌呤晶体具有 (100) 面作为最大的表面。普遍认为，(100) 面的优先表达与理论上预测的 π-π 堆积方向大不相同，是因为其平面折射率要高得多，从而被生物选择以更高效地反射光线。除了生物对鸟嘌呤晶体的晶体学特征的生物控制外，生物还对鸟嘌呤晶体的组装施加不同程度的控制。了解结构-功能关系对于相关的生物启发式组装和潜在应用至关重要。

在许多鱼、蜘蛛和桡足类动物的表面，以及鱼的视网膜上、扇贝和蜘蛛的视网膜上，发现了具有薄板形态的鸟嘌呤晶体与晶体之间的细胞质形成介电多层结构。这些基于鸟嘌呤晶体的多层结构通常在相关生物体中充当各种光学系统，例如窄带和宽带反射器、可调谐光子晶体和成像镜。对于这些生物产生的鸟嘌呤晶体，已经确定了两种晶体结构，即单体结构和双体结构。对于单体结构，鸟嘌呤晶体板是单晶体；对于双体结构，它包含有不同晶态的两层或三层。观察到了规则形状的双体形态的鸟嘌呤晶体，包括桡足类动物表面的六边形鸟嘌呤晶体和扇贝眼中的正方形晶体。在一些蜘蛛表皮反射系统中，观察到鸟嘌呤晶体双体具有不规则的平面形状。发现规则形态的生物产生的鸟嘌呤晶体在特定波段内强烈反射光线。这些晶体也排列得很有序。相关的结构-功能研究表明，这种规则和有序的组装被认为有助于同种之间的交流、猎物的吸引、天敌的威慑或者在黑暗环境下增强视觉。与窄带反射器不同，宽带反射生物系统中的鸟嘌呤晶体形态和空间排列的不规则程度不同。鱼和蜘蛛表面的自然宽带银色反射通常在伪装中发挥重要作用，以保护自己免受天敌的攻击。尽管已经深入研究了基于生物产生的鸟嘌呤晶体的结构-功能关系，但双体结构的作用尚未得到研究。

本文研究了蜘蛛Phoroncidia rubroargentea表皮反射系统中的鸟嘌呤晶体双体结构。这些鸟嘌呤晶体负责蜘蛛腹部的银色反射。使用透射和扫描电子显微镜以及与自动串行显微切割结合的方法，我们在二维和三维中表征了这种双体结构。为了研究双体结构在基于鸟嘌呤晶体的多层反射器的光学性能中的作用，我们进行了光学建模，使用了常用的理想平行层堆积模型和基于成像采样的实际结构模型。光学建模表明，双体结构在短波长区域内提供了额外的自由度以增强反射率，同时在较长波长处保持高反射率，从而优化了可见光范围内的宽带反射。系统的光学建模也表明，半厚度缺陷可以以多种方式影响基于鸟嘌呤晶体的多层反射器的光学性能。本研究提供了对生物产生的鸟嘌呤晶体双体结构在生物系统中的作用的新认识，并为使用鸟嘌呤晶体进行生物启发式光学结构设计提供了额外的自由度。由于其生物和环境兼容性以及机械柔韧性，鸟嘌呤晶体在先进光学设计和制造方面具有巨大的潜力。与鸟嘌呤晶体单体相比，鸟嘌呤晶体双体结构提供了额外的维度以进行光学材料设计，并增强了控制结构的灵活性。从生物产生的鸟嘌呤晶体双体的组装和结构-功能关系中学习，加上可控的缺陷引入方法的发展，可以促进相关的生物启发式先进光学材料的制备，例如二维元表面和三维超材料。