科学家正在研究一种“超黑”昆虫，为太空材料研制提供灵感！

在自然界中，黑色是一种常见的颜色，但有没有想过，“黑色”可以黑到什么程度？

在巴西东北部的卡廷加地区，这片以干燥灌木丛、白色土地和贫瘠景观著称的区域，却生活着一种超黑的生物：巴西绒蚁蜂（Traumatomutilla bifurca）。

巴西绒蚁蜂

（图片来源：iNaturalist）

这种昆虫外型独特，雌性没有翅膀，其模样酷似蚂蚁，因此名字里带了“蚁”字，但它们实际上是膜翅目蚁蜂科，和黄蜂的关系更近一些。

尤其是它 “熊猫般”的黑白配色，看起来十分独特。其中它的黑色部分的黑不是一般的黑，而是超黑，几乎能吸走所有的光线。

（图片来源：参考文献1）

这里的超黑不单是一个形容，在科学上有着自己的定义。科学家用反射率（reflectance）来量化“超黑”，如果一个东西的表面属于超黑，那它在可见光波长范围（400-700纳米）内的反射率通常小于0.5%。与之相比，普通黑色表面的反射率可能在5%-10%之间，而亮黑色（如钢琴漆）的反射率更高，通常超过20%。这种“超黑”现象此前只在少数动物身上发现，比如孔雀蜘蛛（Maratus tasmanicus）和极乐鸟（Lophorina niedda）。

四种不同动物身上的超黑：孔雀蜘蛛、极乐鸟、加蓬蝰蛇、努米拉黑蛱蝶

（图片来源：参考文献1）

科学家怎么知道它的黑是超黑的？

为了测定巴西绒蚁蜂黑色部分的表皮光反射性能，来自巴西联邦三角洲矿大学和德国基尔大学的研究团队使用了高分辨率的光纤光谱仪和光源设备，对它的进行测试黑色胸部和黑色腹部（称为metasoma），测试范围覆盖了从300到800纳米的波长，这包括紫外线、可见光和近红外光。对每个区域进行了5次重复测试，并与其他已知的超黑动物（孔雀蜘蛛、极乐鸟）进行了对比。

不同生物的反射率随波长变化的曲线

（图片来源：参考文献1）

结果测得巴西绒蚁蜂的黑色部分在可见光范围内的反射率接近0.5%，与孔雀蜘蛛的超黑水平（反射率略低于0.5%）相当，但和极乐鸟比还差一些。极乐鸟的超黑羽毛反射率仅为 0.05%-0.3%，几乎吸收了所有入射光。不过这已经证实了这种昆虫具有超黑的性质。

它的超黑特性不止与黑色素有关

要实现超黑特性，除了自身产生产生的黑色素，更重要的是表皮的微结构。

研究团队决定深入研究天蚕蛾的表皮。他们运用了许多现代科学的多种尖端工具，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和光学光谱技术。每种工具都像侦探的放大镜，帮助他们剖析这层神秘表皮的秘密。

巴西绒蚁蜂外骨骼表面在扫描电子显微镜（SEM）下的图像，展示了天蚕蛾表面上密集的刺毛和刚毛结构

（图片来源：参考文献1）

研究人员首先用SEM观察了绒蚁蜂表皮的外观。结果显示，绒蚁蜂的表皮覆盖着一种密集的微小“刺状结构”，被称为刚毛（setae）。这些刚毛的表面布满纳米级的沟槽，并且内部是中空的。通过显微镜放大至15000倍，这些微小的“刺”呈现出一种特殊的排列，能够有效地捕捉并散射光线。

图中展示的表面结构通过多次散射和迭代吸收机制，使得巴西绒蚁蜂的表面能够非常高效地吸收光线

（图片来源：参考文献1）

同时，透射电子显微镜进一步揭示了表皮内部的秘密。表皮的深层结构由层叠的薄片状结构（lamellae）组成，这些薄片像一本本重叠的书页，通过细小的柱状结构连接。这种设计使光线在穿透表皮时多次反射和吸收，进一步增强了“超黑”效果。

其他动物实现超黑特性的核心机制也差不多，无论是极乐鸟的羽毛腔体、孔雀蜘蛛的微透镜、蝴蝶翅膀的鳞片叠层，都是通过其表面的微观或纳米级结构来控制光线行为。这些结构通过减少光线的镜面反射，多次散射和路径延长，最大限度地吸收光线。这一特点使它们看起来如同光学黑洞。

极乐鸟羽毛的超黑结构

（图片来源：Dakota McCoy）

当然，在细节上不同超黑动物亦有一些细微的差别，比如极乐鸟的超黑结构表现为有序排列，提高光的吸收效率。而深海鱼类的皮肤通过随机排列的微粒实现光吸收，适应深海弱光环境。

不仅是黑而已，超黑表皮别有用处！

讲道理，这么黑的表面，吸热能力应该很强，那它在野外的大太阳天，不会被晒死吗？

（图片来源：Superinteressante）

为了测试，他们将绒蚁蜂置于一个覆盖了2厘米厚沙层的绝缘台上，在上方放置了一盏强光热灯，距离大约10厘米，模仿中午阳光直射的强度，然后用用热成像仪记录它在受热前后的体表温度。

未加热前，绒蚁蜂的体温几乎与环境一致，说明其黑色表面能有效吸收热量。加热后的变化，显示出其表面吸热并逐渐升温，但温度始终较为稳定，未出现过热现象。

（图片来源：参考文献1）

结果显示，尽管绒蚁蜂表皮吸光能力极强，但它的体温却比周围环境低2°C，体温不仅没有升高，反而下降了。研究人员推测，这可能是因为它的刚毛覆盖和特殊表皮结构能有效反射部分热辐射，或减少热量传递。由此可推测，它黑色的表皮可能具有调节体温的功能。不仅如此，科学家推测它的超黑表面还有警示天敌的作用

前面说了，它和黄蜂的关系更近，也有着属于自己的刺针，这种刺针是由其腹部末端的产卵器演化而来。刺针与毒液腺相连，每次使用时可以注入适量毒液。毒刺既是一种防御武器，也是一种威慑手段。

不要小看它的毒刺，科学家将蚁蜂科的刺针列为昆虫界中刺痛感最强的类别之一。美国昆虫学家 Justin O. Schmidt 提出的著名“昆虫刺痛指数”（Schmidt Pain Index）中，克鲁格绒蚁蜂（Dasymutilla klugii），它的刺痛指数为3级，描述为“极度尖锐的刺痛，伴随烧灼感，持续时间较长”；红绒蚁蜂（Dasymutilla occidentalis）俗称为“杀牛蜂”（Cow Killer），刺痛指数接近 4级，描述的刺痛感如同被火烤或火柴头刺中，疼痛长时间挥之不去。

红绒蚁蜂

（图片来源：wikipedia）

虽然没有单独记录巴西绒蚁蜂在刺痛指数中，但从其毒针机制和天蚕蛾科的整体特点推测，它的刺痛感很可能接近 3级 或更高，仅次于弹蚁。

可怕的是绒蚁蜂不像蜜蜂，它刺完不会死。蜜蜂刺完之后会付出生命的代价，因为蜜蜂的刺针末端有倒钩，当它刺入柔软的皮肤时，倒钩会卡在皮肤内，使得蜜蜂在试图飞走时将刺针连同毒液腺一起撕裂，从而导致其死亡。

而绒蚁蜂的刺针没有倒钩，结构相对光滑，设计上更适合刺入和拔出。这意味着天蚕蛾可以多次使用刺针而不伤害自己，这样它能够多次使用。

所以科学家推测，绒蚁蜂超黑部分和白色形成鲜明对比，这种高对比度能够强化其警示色（aposematic coloration），向捕食者传递“我不好惹”的信号。捕食者通常会学会避开这种颜色组合的猎物，因为它们可能有毒或危险。

研究超黑动物，还能启发太空材料的研制

研究自然界中的超黑动物不仅帮助我们揭示光与生物表面的相互作用机制，还为多个领域的技术创新提供了灵感。比如可以开发反光抑制材料，然后广泛用于激光器、相机镜头以及显微镜，提高光学仪器的性能。

在天文学领域，NASA采用类似超黑材料的涂层来增强太空望远镜的对比度和分辨率。例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的遮光罩和光学部件就使用了超黑涂层。这种超黑涂层主要由碳纳米管阵列（Carbon Nanotube Arrays，CNTs）制成，是目前已知最接近“完全黑”的人造材料之一。

电镜下的超黑碳纳米管阵列

（图片来源：NASA）

该涂层能够吸收超过 99.965% 的入射光线，使其成为几乎“不可见”的黑洞般表面。碳纳米管是一种由单层碳原子排列形成的中空圆柱形纳米材料，其直径约为人类头发直径的十万分之一。NASA的超黑涂层通过将这些纳米管垂直排列，形成类似森林的微观结构来捕捉光线。

当我们仰望星空，探索宇宙的深邃时，自然界中的“超黑动物”早已向我们揭示了黑暗的奥秘。在这场关于黑色的追逐中，动物、科学家和工程师似乎都在追寻一个共同的目标——如何将光线化为虚无。或许，某一天，当你用上一款“超黑”科技的产品时，眼前的深邃黑暗会让你想起这些隐秘的自然大师，它们的故事一直都在，静静等候被发现。科学的未来，何尝不是从自然的深黑中点亮的呢？

参考文献：

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

出品：科普中国

作者：苏澄宇

监制：中国科普博览