科學(xué)家正在研究一種“超黑”昆蟲，為太空材料研制提供靈感！

出品：科普中國

作者：蘇澄宇

監(jiān)制：中國科普博覽

在自然界中，黑色是一種常見的顏色，但有沒有想過，“黑色”可以黑到什么程度？

在巴西東北部的卡廷加地區(qū)，這片以干燥灌木叢、白色土地和貧瘠景觀著稱的區(qū)域，卻生活著一種超黑的生物：巴西絨蟻蜂（Traumatomutilla bifurca）。

巴西絨蟻蜂

（圖片來源：iNaturalist）

這種昆蟲外型獨(dú)特，雌性沒有翅膀，其模樣酷似螞蟻，因此名字里帶了“蟻”字，但它們實際上是膜翅目蟻蜂科，和黃蜂的關(guān)系更近一些。

尤其是它 “熊貓般”的黑白配色，看起來十分獨(dú)特。其中它的黑色部分的黑不是一般的黑，而是超黑，幾乎能吸走所有的光線。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

**這里的超黑不單是一個形容，在科學(xué)上有著自己的定義。**科學(xué)家用反射率（reflectance）來量化“超黑”，如果一個東西的表面屬于超黑，那它在可見光波長范圍（400-700納米）內(nèi)的反射率通常小于0.5%。與之相比，普通黑色表面的反射率可能在5%-10%之間，而亮黑色（如鋼琴漆）的反射率更高，通常超過20%。這種“超黑”現(xiàn)象此前只在少數(shù)動物身上發(fā)現(xiàn)，比如孔雀蜘蛛（Maratus tasmanicus）和極樂鳥（Lophorina niedda）。

四種不同動物身上的超黑：孔雀蜘蛛、極樂鳥、加蓬蝰蛇、努米拉黑蛺蝶

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

科學(xué)家怎么知道它的黑是**“超黑”****？**

為了測定巴西絨蟻蜂黑色部分的表皮光反射性能，來自巴西聯(lián)邦三角洲礦大學(xué)和德國基爾大學(xué)的研究團(tuán)隊使用了高分辨率的光纖光譜儀和光源設(shè)備，對它的進(jìn)行測試黑色胸部和黑色腹部（稱為metasoma），測試范圍覆蓋了從300到800納米的波長，這包括紫外線、可見光和近紅外光。對每個區(qū)域進(jìn)行了5次重復(fù)測試，并與其他已知的超黑動物（孔雀蜘蛛、極樂鳥）進(jìn)行了對比。

不同生物的反射率隨波長變化的曲線

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

結(jié)果測得巴西絨蟻蜂的黑色部分在可見光范圍內(nèi)的反射率接近0.5%，與孔雀蜘蛛的超黑水平（反射率略低于0.5%）相當(dāng)，但和極樂鳥比還差一些。極樂鳥的超黑羽毛反射率僅為 0.05%-0.3%，幾乎吸收了所有入射光。不過這已經(jīng)證實了這種昆蟲具有超黑的性質(zhì)。

它的超黑特性不止與黑色素有關(guān)

要實現(xiàn)超黑特性，除了自身產(chǎn)生產(chǎn)生的黑色素，更重要的是表皮的微結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊決定深入研究天蠶蛾的表皮。他們運(yùn)用了許多現(xiàn)代科學(xué)的多種尖端工具，包括掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）和光學(xué)光譜技術(shù)。每種工具都像偵探的放大鏡，幫助他們剖析這層神秘表皮的秘密。

巴西絨蟻蜂外骨骼表面在掃描電子顯微鏡（SEM）下的圖像，展示了天蠶蛾表面上密集的刺毛和剛毛結(jié)構(gòu)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

研究人員首先用SEM觀察了絨蟻蜂表皮的外觀。結(jié)果顯示，絨蟻蜂的表皮覆蓋著一種密集的微小“刺狀結(jié)構(gòu)”，被稱為剛毛（setae）。這些剛毛的表面布滿納米級的溝槽，并且內(nèi)部是中空的。通過顯微鏡放大至15000倍，這些微小的“刺”呈現(xiàn)出一種特殊的排列，能夠有效地捕捉并散射光線。

圖中展示的表面結(jié)構(gòu)通過多次散射和迭代吸收機(jī)制，使得巴西絨蟻蜂的表面能夠非常高效地吸收光線

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

同時，透射電子顯微鏡進(jìn)一步揭示了表皮內(nèi)部的秘密。表皮的深層結(jié)構(gòu)由層疊的薄片狀結(jié)構(gòu)（lamellae）組成，這些薄片像一本本重疊的書頁，通過細(xì)小的柱狀結(jié)構(gòu)連接。這種設(shè)計使光線在穿透表皮時多次反射和吸收，進(jìn)一步增強(qiáng)了“超黑”效果。

其他動物實現(xiàn)超黑特性的核心機(jī)制也差不多，無論是極樂鳥的羽毛腔體、孔雀蜘蛛的微透鏡、蝴蝶翅膀的鱗片疊層，都是通過其表面的微觀或納米級結(jié)構(gòu)來控制光線行為。這些結(jié)構(gòu)通過減少光線的鏡面反射，多次散射和路徑延長，最大限度地吸收光線。這一特點使它們看起來如同光學(xué)黑洞。

極樂鳥羽毛的超黑結(jié)構(gòu)

（圖片來源：Dakota McCoy）

當(dāng)然，在細(xì)節(jié)上不同超黑動物亦有一些細(xì)微的差別，比如極樂鳥的超黑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為有序排列，提高光的吸收效率。而深海魚類的皮膚通過隨機(jī)排列的微粒實現(xiàn)光吸收，適應(yīng)深海弱光環(huán)境。

不僅是黑而已，超黑表皮別有用處！

講道理，這么黑的表面，吸熱能力應(yīng)該很強(qiáng)，那它在野外的大太陽天，不會被曬死嗎？

（圖片來源：Superinteressante）

為了測試，他們將絨蟻蜂置于一個覆蓋了2厘米厚沙層的絕緣臺上，在上方放置了一盞強(qiáng)光熱燈，距離大約10厘米，模仿中午陽光直射的強(qiáng)度，然后用用熱成像儀記錄它在受熱前后的體表溫度。

未加熱前，絨蟻蜂的體溫幾乎與環(huán)境一致，說明其黑色表面能有效吸收熱量。加熱后的變化，顯示出其表面吸熱并逐漸升溫，但溫度始終較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

結(jié)果顯示，盡管絨蟻蜂表皮吸光能力極強(qiáng)，但它的體溫卻比周圍環(huán)境低2°C，體溫不僅沒有升高，反而下降了。研究人員推測，這可能是因為它的剛毛覆蓋和特殊表皮結(jié)構(gòu)能有效反射部分熱輻射，或減少熱量傳遞。由此可推測，它黑色的表皮可能具有調(diào)節(jié)體溫的功能。不僅如此，科學(xué)家推測它的超黑表面還有警示天敵的作用。

前面說了，它和黃蜂的關(guān)系更近，也有著屬于自己的刺針，這種刺針是由其腹部末端的產(chǎn)卵器演化而來。刺針與毒液腺相連，每次使用時可以注入適量毒液。毒刺既是一種防御武器，也是一種威懾手段。

不要小看它的毒刺，科學(xué)家將蟻蜂科的刺針列為昆蟲界中刺痛感最強(qiáng)的類別之一。美國昆蟲學(xué)家 Justin O. Schmidt 提出的著名“昆蟲刺痛指數(shù)”（Schmidt Pain Index）中，克魯格絨蟻蜂（Dasymutilla klugii），它的刺痛指數(shù)為3級，描述為**“極度尖銳的刺痛，伴隨燒灼感，持續(xù)時間較長”**；紅絨蟻蜂（Dasymutilla occidentalis）俗稱為“殺牛蜂”（Cow Killer），刺痛指數(shù)接近 4級，描述的刺痛感如同被火烤或火柴頭刺中，疼痛長時間揮之不去。

紅絨蟻蜂

（圖片來源：wikipedia）

雖然沒有單獨(dú)記錄巴西絨蟻蜂在刺痛指數(shù)中，但從其毒針機(jī)制和天蠶蛾科的整體特點推測，它的刺痛感很可能接近 3級 或更高，僅次于彈蟻。

可怕的是絨蟻蜂不像蜜蜂，它刺完不會死。蜜蜂刺完之后會付出生命的代價，因為蜜蜂的刺針末端有倒鉤，當(dāng)它刺入柔軟的皮膚時，倒鉤會卡在皮膚內(nèi)，使得蜜蜂在試圖飛走時將刺針連同毒液腺一起撕裂，從而導(dǎo)致其死亡。

而絨蟻蜂的刺針沒有倒鉤，結(jié)構(gòu)相對光滑，設(shè)計上更適合刺入和拔出。這意味著天蠶蛾可以多次使用刺針而不傷害自己，這樣它能夠多次使用。

所以科學(xué)家推測，絨蟻蜂超黑部分和白色形成鮮明對比，這種高對比度能夠強(qiáng)化其警示色（aposematic coloration），向捕食者傳遞“我不好惹”的信號。捕食者通常會學(xué)會避開這種顏色組合的獵物，因為它們可能有毒或危險。

研究超黑動物，還能啟發(fā)太空材料的研制

研究自然界中的超黑動物不僅幫助我們揭示光與生物表面的相互作用機(jī)制，還為多個領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了靈感。比如可以開發(fā)反光抑制材料，然后廣泛用于激光器、相機(jī)鏡頭以及顯微鏡，提高光學(xué)儀器的性能。

在天文學(xué)領(lǐng)域，NASA采用類似超黑材料的涂層來增強(qiáng)太空望遠(yuǎn)鏡的對比度和分辨率。例如，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）的遮光罩和光學(xué)部件就使用了超黑涂層。這種超黑涂層主要由碳納米管陣列（Carbon Nanotube Arrays，CNTs）制成，是目前已知最接近“完全黑”的人造材料之一。

電鏡下的超黑碳納米管陣列

（圖片來源：NASA）

該涂層能夠吸收超過 99.965% 的入射光線，使其成為幾乎“不可見”的黑洞般表面。碳納米管是一種由單層碳原子排列形成的中空圓柱形納米材料，其直徑約為人類頭發(fā)直徑的十萬分之一。NASA的超黑涂層通過將這些納米管垂直排列，形成類似森林的微觀結(jié)構(gòu)來捕捉光線。

當(dāng)我們仰望星空，探索宇宙的深邃時，自然界中的“超黑動物”早已向我們揭示了黑暗的奧秘。在這場關(guān)于黑色的追逐中，動物、科學(xué)家和工程師似乎都在追尋一個共同的目標(biāo)——如何將光線化為虛無。或許，某一天，當(dāng)你用上一款“超黑”科技的產(chǎn)品時，眼前的深邃黑暗會讓你想起這些隱秘的自然大師，它們的故事一直都在，靜靜等候被發(fā)現(xiàn)。科學(xué)的未來，何嘗不是從自然的深黑中點亮的呢？

參考文獻(xiàn)：

1. Lopez, V. M.; Krings, W.; Machado, J. R.; Gorb, S.; Guillermo-Ferreira, R. Beilstein J. Nanotechnol. 2024, 15, 1554–1565. doi:10.3762/bjnano.15.122