不需要颜料的色彩(一)

摘要

五颜六色的肥皂泡、蝴蝶闪亮的翅膀、孔雀美丽的羽毛......不知你可曾注意过,这些缤纷的色彩其实并非来自任何化学颜料,而是来自于结构色。那么什么是结构色,它是如何产生的,对我们的生活会带来哪些帮助呢?从今天起,科学公园作者@嵌段共聚物 将通过《不需要颜料的色彩》系列文章为我们介绍这一有趣的现象。

【作者按】五颜六色的肥皂泡、蝴蝶闪亮的翅膀、孔雀美丽的羽毛......不知你可曾注意过,这些缤纷的色彩其实并非来自任何化学颜料,而是来自于结构色。那么什么是结构色,它是如何产生的,对我们的生活会带来哪些帮助呢?从今天起,科学公园作者@嵌段共聚物 将通过《不需要颜料的色彩》系列文章为我们介绍这一有趣的现象。

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不走运的研究员

周末的自然博物馆,前来参观的人络绎不绝,其中的蝴蝶标本展厅更是吸引了众多游客驻足观看。在众多色彩绚丽的蝴蝶中,一类名为闪蝶的蝴蝶格外地引人注目。这些主要生活美洲热带地区的蝴蝶体型很大,部分翅膀完全展开后长度可达20厘米,而且翅膀还呈现出闪亮的蓝色[1]。尽管馆中陈列的只是没有生命的标本,人们还是能想象出,当闪蝶在热带雨林中翩翩起舞时,一片绿色中闪耀着道道蓝光的美丽景象。

图1 许多种类的闪蝶雄性个体的翅膀都呈现蓝色[2]。

图1 许多种类的闪蝶雄性个体的翅膀都呈现蓝色[2]。

当众人为闪蝶的美丽而赞叹不已时,有一位参观者陷入了沉思。这是一位专门从事颜料开发的研究员。面对着闪蝶翅膀上美丽耀眼的蓝色,他突然想到,如果能够将闪蝶翅膀中产生蓝色的物质分离鉴别出来,说不定可以开发一种新型的蓝色颜料呢。

回到实验室,这位研究员设法找来一些闪蝶的标本,很快开始了实验。他的实验方案是这样的:先将翅膀研磨成很细的粉末,然后用酒精作为溶剂将其中的颜料提取出来。在过去的科研生涯中,他成功地用这种方法鉴别出很多颜料。这一次他自然是信心满满,相信自己一定会成功。

然而意想不到的事情发生了:闪蝶翅膀被研磨成粉末后,蓝色消失了。这位研究员简直不敢相信自己的眼睛——难道研磨过程破坏了颜料的化学结构?虽然觉得这不大可能,他还是决定尝试不经研磨直接用溶剂提取。然而诡异的现象再一次发生:当他把闪蝶的翅膀浸泡到酒精中时,蓝色的翅膀变成了绿色,而酒精并没有带上任何颜色,显然并没有什么颜料跑到酒精中。而当他把闪蝶翅膀从酒精中取出后,没过多久翅膀又恢复了蓝色。对此感到困惑不解的研究员只得中止了实验。

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图2 当闪蝶翅膀浸泡到液体中时,翅膀的颜色会发生变化(绿色箭头),一旦液体挥发,翅膀又会恢复原有的颜色(蓝色箭头)[3]。

那么问题出在哪里呢,是实验方法不对么?当然不是。即便这位研究员调整实验方法,仍然是白费力气,因为闪蝶翅膀中根本就没有什么蓝色颜料,这种蓝色来自于不需要颜料的色彩——结构色。那么,结构色到底是什么,它又是怎样给闪蝶的翅膀带来美丽颜色的呢?

颜料与色彩

要理解什么是结构色,首先应该了解一下颜色是如何产生的。众所周知,光是电磁波的一种。电磁波波长的变化范围很大,但只有波长在400~800纳米这个范围的电磁波——即通常所说的可见光——能够被我们的眼睛感受到,而且波长不同的光会使得人眼感受到不同的颜色。例如波长为450~495纳米的可见光会让人感受到蓝色,波长在495~570纳米和620~740纳米范围内的可见光则分别带来绿色和红色。太阳发射的电磁波包含了全部可见光的范围,且各个波长的光的强度大致相同,因此当太阳光照射到人眼时,我们感受到的是各种颜色叠加的结果——白色。

light spectrum

图3 上:可见光在电磁波中的位置,以及不同颜色的可见光与波长的对应关系;下:一种胡萝卜素的吸收光谱,横坐标为波长,纵坐标为吸光率,纵坐标数值越大,表明越多的光被吸收[4]。

我们身边的绝大部分物体自身都不能发光,我们之所以能看见它们,是由于照射到它们表面的太阳光或者灯光经过反射或者透射进入了我们的眼睛。许多物体对于太阳光的可见光部分“一视同仁”,光被这些物体反射后,可见光中各种颜色的光的强度仍然大致相同,因此这些物体在我们的眼中呈现白色。然而也有一些物体中含有的化学物质由于化学结构特殊,对于可见光中某些波长的光有“偏好”——能够选择性地将它们吸收。例如胡萝卜中含有的胡萝卜素会强烈吸收波长在400~500纳米范围的光而放走其他波长的光。刚才我们提到,这个波长范围的光主要呈现蓝色和绿色,这样一来,被胡萝卜反射回的光中红光和黄光的强度明显高于其他颜色的光,因而我们会看到胡萝卜的表面是橙红色。除了胡萝卜素,还有许许多多的化学物质也能够选择性地吸收某些颜色的光,从而为我们带来不同的视觉感受。我们常常把这样的化学物质称为颜料、染料或者色素,它们带来的颜色常被称为颜料色。

肥皂泡表面为什么有颜色?

颜料色使得我们的世界不再“非黑即白”,而是充满了缤纷的色彩。不过颜料色并不是颜色的唯一来源,一个典型的例子是肥皂泡。肥皂泡在太阳光的照射下,表面会呈现出斑斓的色彩。而产生肥皂泡的水中并没有添加任何颜料,那么它表面的颜色是如何产生的呢?

soap bubble

图4 肥皂泡的表面经常呈现出不同的颜色,这是典型的结构色

当人们看到肥皂泡时,可能很自然地会想到这是因为光被肥皂泡的表面反射进入了人眼。但肥皂泡实际上并不是实心的球体,而是由肥皂水的薄膜构成的空心的球壳。照射到肥皂泡表面的阳光有一部分直接被肥皂泡的外表面反射开去,还有一部分穿过空气与水的界面进入水膜,被肥皂泡的内表面反射后再一次穿过空气与水的界面离开肥皂泡[5]。因此当我们看到肥皂泡时,实际上是有两束不同的反射光一起进入了我们的眼睛。现在问题来了:假设这两束光的强度相同,进入我们眼睛的反射光的总强度是多少呢?

light reflection

图5 光在肥皂泡内外表面分别发生反射的示意图[6]

可能许多朋友会认为总的强度就是两束光强度之和,但这个答案并不一定正确,或者说绝大部分情况下是错误的。前面提到,光是一种波,也就是说,它在空间中传播时会做周期性的振动,我们时而看到波峰,时而看到波谷。正是由于这个特点,即便两束波长和振动幅度相同的波相遇,它们总的强度也并不一定是简单的相加关系。如果它们“步调一致”, 即第一束光和第二束光同时出现波峰,那么总的强度就是二者强度之和;如果它们“步调”不一致,即两束光的波峰没有完全对应,那么总的强度要小于二者之和。一个更为特殊的情况是,如果第一束光的波峰正好对应着第二束光的波谷,那么它们相遇后会互相抵消,总的强度反而为零。像这种两束或者更多的光相遇时由于“步调”不同而导致强度不同的现象称为光的干涉。两束光波峰相对导致强度最大被称为相长(zhǎng)干涉,而波峰与波谷相对导致强度为零则被称为相消干涉。

那么光的干涉是如何让肥皂泡呈现出颜色的呢?两束光在照射到肥皂泡之前,它们的“步调”是完全一致的。然而经过肥皂泡时,由于第二束光从肥皂泡内表面反射回来才与第一束光相遇,显然它比第一束光多走了一段路;而正是这一段路,导致两束光有可能“步调”不再一致。为什么呢?让我们思考这个例子:假设有甲乙二人一起做同一套健美操,做完一套动作需要10分钟。两个人从同一时间开始,节奏也完全一致,因此我们会看到两个人一起扩胸,一起跳跃,就像一个人似的。二人一起做完某一遍动作后,甲停下来休息,而乙继续做下一遍动作。过了8分钟,甲也开始做第二遍。这个时候旁边的教练急了:为什么甲在扩胸的时候乙在踢腿呢,是二人的配合出了问题么?当然不是,是两个人产生了时间差。如果甲等10分钟而不是8分钟,这样甲重新开始的时候乙也刚好完成上一遍开始下一遍,二人的协调就不会出任何问题了。显然,甲也可以等20分钟、30分钟甚至100分钟再开始,只要等待的时间是10分钟的整数倍,我们就不会看到二人动作不一致。

constructive interference

图6 左:两束光发生相长干涉时,总强度最大;右:发生相消干涉时,总强度最小[6]。

从肥皂泡内外表面分别反射回来的光也存在类似的情况,只不过这里我们要考虑的是距离而不是时间的差距。光学原理告诉我们,要想让两束光在重新汇合后总的强度最大,即发生相长干涉,肥皂泡水膜的厚度不能是随便的数值,而必须恰好使得第二束光多走的路程是波长的0.5倍、1.5倍、2.5倍等等。相反,如果第二束光多走的路程是波长的1倍、2倍、3倍等,两束光重新汇合后,第一束光的波峰正好对应第二束光的波谷,发生相消干涉,导致强度为零[7]。如果我们用一束蓝光照射肥皂泡表面,会看到有的位置很亮,有的位置很暗,这是因为肥皂泡水膜的厚度是不均匀的,某些位置肥皂泡的厚度恰好能让内外表面反射的两束光发生相长或者相消干涉。

但是,不要忘记太阳光除了蓝光还有其他颜色的光。不同颜色的光波长不同,所以,要让某个厚度的水膜刚好能够使得所有颜色的光都通过干涉达到最大的光强,显然是不可能的。假设肥皂泡某个位置膜的厚度正好可以使得光在某个角度入射时,从内表面反射回来的光多走了675纳米的路程。对于波长是450纳米的蓝光,这个路程恰好是波长的1.5倍,于是蓝光的强度刚好可以达到最大[8]。可是对于波长是675纳米的红光,这个路程是波长的1倍,结果红光由于发生相消干涉反而强度降到零。本来在太阳光中不同颜色的光强度大致相同,然而当这束光离开肥皂泡时,蓝光的强度明显要高于其他颜色的光,于是我们就看到肥皂泡的这个位置呈现出蓝色。同样,在肥皂泡的另一个位置,肥皂水膜的厚度也许正好可以让红光的强度达到最大,显然这个时候蓝光又不满足这个条件了,于是在我们眼中,这个位置的肥皂泡是红色的。这也就是为什么肥皂泡的不同位置常常呈现出不同的色彩。

与肥皂泡类似的情况还有许多。例如我们经常会看到漂浮在水面上的油膜在灯光照耀下会变得五光十色,这也是由于薄膜的存在使得光发生了干涉。膜的厚度不同,颜色也会不同。这些颜色就是典型的结构色——由于这种物体本身具有的结构导致某种颜色的光更强烈地进入我们的眼睛。这种颜色的产生并不依赖于具体的化学物质——无论构成肥皂泡薄膜的是水、酒精还是汽油,抑或是塑料和玻璃,只要膜的厚度合适,我们总能够观察到颜色。

闪蝶翅膀上的颜色也是由于同样的原理而产生的,只不过形成颜色的结构更加精妙罢了。接下来,我将带领大家继续领略自然的神奇。

扩展阅读:

不需要颜料的色彩(二)

不需要颜料的色彩(三)

不需要颜料的色彩(四)

参考文献和注释

[1] 实际上一般只有雄性的闪蝶翅膀才会呈现蓝色
[2] S. Kinoshita, S. Yoshioka and J Miyazaki, “Physics of Structural Colors”, Reports on Progress in Physics, 2008, 71, 076401
[3] Yuanjin Zhao, Zhuoying Xie, Hongcheng Gu, Cun Zhu and Zhongze Gu, “Bio-inspired Variable Structural Color Materials”, Chemical Society Reviews, 2012, 41, 3297
[4] http://www.chm.bris.ac.uk/motm/carotene/beta-carotene_colourings.html
[5] 由于水和空气的折射率不同,光在肥皂泡的内外表面不仅发生反射,还会发生折射。实际上从肥皂泡内外表面反射的光只占入射光的一小部分,大部分光会透过肥皂泡。另外,光在肥皂膜中还可能发生多重反射,也就是说,从内表面反射的光有可能不是经外表面离开肥皂膜,而是被外表面反射,反射光经内表面再次反射后经外表面离开肥皂泡,或者继续重复这个过程,不断被内外表面反射
[6] http://www.webexhibits.org/causesofcolor/15E.html
[7] 严格来说,要使得从上下表面分别反射的光发生相长干涉从而强度最大,从下表面反射的光多走的路程应当为波长的整数倍,但光在肥皂泡的外表面发生反射时,由于是从光疏介质进入光密介质,自身也有半个波长的路程变化,因而要想发生相长干涉,两束光的路程差应当为波长的0.5倍、1.5倍、2.5倍等等。
[8] 这里还应该考虑光在水中的波长与在空气中的不同,具体来说,发生相长干涉时,肥皂泡水膜的厚度应该满足:
ndcosθ= (m-1/2)*λ
其中n为水(或者构成薄膜的其他材料)的折射率,d为薄膜厚度,λ为光在真空中的波长,m为任意正整数。

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  1. avatar 匿名 5

    我迫不及待地要看(二)了。

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  • 不需要颜料的色彩(一) | BITMAIN
  • 科学公园 : 不需要颜料的色彩(二)
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