在自然界中，黑色是一種常見(jiàn)的顏色，但有沒(méi)有想過(guò)，“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(lái)源：iNaturalist）

這種昆蟲(chóng)外型獨(dú)特，雌性沒(méi)有翅膀，其模樣酷似螞蟻，因此名字里帶了“蟻”字，但它們實(shí)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(lái)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(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

這里的超黑不單是一個(gè)形容，在科學(xué)上有著自己的定義。科學(xué)家用反射率（reflectance）來(lái)量化“超黑”，如果一個(gè)東西的表面屬于超黑，那它在可見(jiàn)光波長(zhǎng)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(guò)20%。這種“超黑”現(xiàn)象此前只在少數(shù)動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)，比如孔雀蜘蛛（Maratus tasmanicus）和月牙華美極樂(lè)鳥(niǎo)（Lophorina niedda）。

四種不同動(dòng)物身上的超黑：孔雀蜘蛛、月牙華美極樂(lè)鳥(niǎo)、加蓬蝰蛇、努米拉黑蛺蝶（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

科學(xué)家怎么知道它的黑是“超黑”？

為了測(cè)定巴西絨蟻蜂黑色部分的表皮光反射性能，來(lái)自巴西聯(lián)邦三角洲礦大學(xué)和德國(guó)基爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用了高分辨率的光纖光譜儀和光源設(shè)備，對(duì)它的黑色胸部和腹部進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試范圍覆蓋了從300到800納米的波長(zhǎng)，這包括紫外線、可見(jiàn)光和近紅外光。對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行了5次重復(fù)測(cè)試，并與其他已知的超黑動(dòng)物（孔雀蜘蛛、極樂(lè)鳥(niǎo)）進(jìn)行了對(duì)比。

不同生物的反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

結(jié)果測(cè)得巴西絨蟻蜂的黑色部分在可見(jiàn)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(lè)鳥(niǎo)比還差一些。極樂(lè)鳥(niǎo)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(guò)這已經(jīng)證實(shí)了這種昆蟲(chóng)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(shí)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(duì)決定深入研究絨蟻蜂的表皮。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，展示了絨蟻蜂表面上密集的刺毛和剛毛結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)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(jí)的溝槽，并且內(nèi)部是中空的。通過(guò)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(guò)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(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

同時(shí)，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(shū)頁(yè)，通過(guò)細(xì)小的柱狀結(jié)構(gòu)連接。這種設(shè)計(jì)使光線在穿透表皮時(shí)多次反射和吸收，進(jìn)一步增強(qiáng)了“超黑”效果。

其他動(dòng)物實(shí)現(xiàn)超黑特性的核心機(jī)制也差不多，無(wú)論是極樂(lè)鳥(niǎo)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(guò)其表面的微觀或納米級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)控制光線行為。這些結(jié)構(gòu)通過(guò)減少光線的鏡面反射，多次散射和路徑延長(zhǎng)，最大限度地吸收光線。這一特點(diǎn)使它們看起來(lái)如同光學(xué)黑洞。

極樂(lè)鳥(niǎo)羽毛的超黑結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：Dakota McCoy）

當(dāng)然，在細(xì)節(jié)上不同超黑動(dòng)物亦有一些細(xì)微的差別，比如極樂(lè)鳥(niǎo)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(yú)類的皮膚通過(guò)隨機(jī)排列的微粒實(shí)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(yáng)天，不會(huì)被曬死嗎？

（圖片來(lái)源：Superinteressante）

為了測(cè)試，他們將絨蟻蜂置于一個(gè)覆蓋了2厘米厚沙層的絕緣臺(tái)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(yáng)光直射的強(qiáng)度，然后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(shuō)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(guò)熱現(xiàn)象。

（圖片來(lái)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(méi)有升高，反而下降了。研究人員推測(cè)，這可能是因?yàn)樗膭偯采w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(cè)，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(cè)它的超黑表面還有警示天敵的作用。

前面說(shuō)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(lái)。刺針與毒液腺相連，每次使用時(shí)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(chóng)界中刺痛感最強(qiáng)的類別之一。美國(guó)昆蟲(chóng)學(xué)家Justin O. Schmidt提出的著名“昆蟲(chóng)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(jí)，描述為“極度尖銳的刺痛，伴隨燒灼感，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)”；紅絨蟻蜂（Dasymutilla occidentalis）俗稱為“殺牛蜂”（Cow Killer），刺痛指數(shù)接近4級(jí)，描述的刺痛感如同被火烤或火柴頭刺中，疼痛長(zhǎng)時(shí)間揮之不去。

紅絨蟻蜂（圖片來(lái)源：wikipedia）

雖然沒(méi)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)制和蟻蜂科的整體特點(diǎn)推測(cè)，它的刺痛感很可能接近3級(jí)或更高，僅次于彈蟻。

可怕的是絨蟻蜂不像蜜蜂，它刺完不會(huì)死。蜜蜂刺完之后會(huì)付出生命的代價(jià)，因?yàn)槊鄯涞拇提樐┒擞械广^，當(dāng)它刺入柔軟的皮膚時(shí)，倒鉤會(huì)卡在皮膚內(nèi)，使得蜜蜂在試圖飛走時(shí)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(méi)有倒鉤，結(jié)構(gòu)相對(duì)光滑，設(shè)計(jì)上更適合刺入和拔出。這意味著絨蟻蜂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(cè)，絨蟻蜂超黑部分和白色形成鮮明對(duì)比，這種高對(duì)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(hào)。捕食者通常會(huì)學(xué)會(huì)避開(kāi)這種顏色組合的獵物，因?yàn)樗鼈兛赡苡卸净蛭ｋU(xiǎn)。

研究超黑動(dòng)物，還能啟發(fā)太空材料的研制

研究自然界中的超黑動(dòng)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(gè)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了靈感。比如可以開(kāi)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(lái)增強(qiáng)太空望遠(yuǎn)鏡的對(duì)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(lái)源：NASA）

該涂層能夠吸收超過(guò)99.965%的入射光線，使其成為幾乎“不可見(jiàn)”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?qǐng)A柱形納米材料，其直徑約為人類頭發(fā)直徑的十萬(wàn)分之一。NASA的超黑涂層通過(guò)將這些納米管垂直排列，形成類似森林的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)捕捉光線。

當(dāng)我們仰望星空，探索宇宙的深邃時(shí)，自然界中的“超黑動(dòng)物”早已向我們揭示了黑暗的奧秘。在這場(chǎng)關(guān)于黑色的追逐中，動(dòng)物、科學(xué)家和工程師似乎都在追尋一個(gè)共同的目標(biāo)——如何將光線化為虛無(wú)。或許，某一天，當(dāng)你用上一款“超黑”科技的產(chǎn)品時(shí)，眼前的深邃黑暗會(huì)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(lái)，何嘗不是從自然的深黑中點(diǎn)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

來(lái)源：科學(xué)大院

編輯：瀟瀟雨歇

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