不需要颜料的色彩(二)

摘要

尽管我们已经开发出不计其数的天然和合成的颜料来提供颜色,但正是由于结构色的这些显著的优点,科学家们投入了相当多的精力,试图模仿自然界中产生结构色的微观结构,希望结构色能够为我们带来焕然一新的色彩体验。

colour

从肥皂泡到闪蝶

在《不需要颜料的色彩(一)》中我们了解了最简单、也最典型的结构色——肥皂泡表面的颜色。肥皂泡虽然只有一层薄薄的液膜,却可以因为从其内外表面分别反射的光发生干涉而产生特定的颜色。

然而这样产生的结构色颜色并不是很强——例如假设肥皂泡某个位置液膜的厚度恰好可以使得反射光中波长为500纳米的绿光强度达到最大,这时从图1我们可以看到,绿光的强度确实要比其它颜色的光高,但并没有高得太多,因此肥皂泡表面只会呈现出淡淡的绿色。而且更为重要的一点是,各种颜色的光强度都不高。为什么会出现这个现象呢?因为被肥皂泡反射进我们眼睛的光只占入射光的一小部分,大部分穿过这层薄膜而去做了“漏网之鱼”,并没有到达我们的眼睛。那么,怎样才能增加反射光的强度呢?

一个简单却有效的办法是把许多层这样的液膜叠加起来,但不让相邻的两层液膜发生接触,而是保持一定的间隔。换句话说,组成一个液膜与空气膜周期性叠加的层状结构。当光照射到这样的结构表面时,有一部分自然是从第一层液膜的内外表面分别反射,大部分的光都透过去了。不过没有关系,还有第二层液膜呢,在第二层液膜的内外表面,自然又有一部分光被反射掉。当然还有许多光没有被反射而是透过去了,但不要紧,还有第三层、第四层、第五层……这样一来,光在每一个空气和液体的界面都会发生反射,最终真正能够穿透这个层状结构的光反而寥寥无几,反射光的强度自然大大增加。这些反射光汇集到一起,同样可以发生干涉。如果空气膜和液膜的厚度合适,干涉的结果同样可以使得某种颜色的光强度最大——不仅产生结构色,而且产生比单层膜更加明亮耀眼的结构色。例如前面提到的呈现出绿色的肥皂泡,我们只要将10层液膜叠加,几乎所有照射到层状结构上的绿光都会被发射,而其他颜色的光仍然只是有很少一部分被反射[1],于是我们就看到了闪亮的绿色。当然,我们用来组成这种层状结构的材料并不局限于肥皂水和空气,也可以是水和酒精,或者是两种不同的塑料。只要这两种材料的光学性质有差别,再加上膜的厚度合适,我们就有可能观察到强烈的结构色。

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图1 左:光在由两种不同的材料组成的层状结构中发生反射的示意图;右:左图所示的层状结构,当层数不同时,对不同波长的光的反射情况的比较,层数为1时即对应最简单的肥皂泡结构。其中横坐标为波长,纵坐标为反射率,反射率越高,表明越多的光被反射[2,3]。

闪蝶让自己翅膀上的蓝色鲜艳耀眼,正是同样的原理。大家知道,蝴蝶以及蛾的翅膀表面覆盖着无数细小的鳞片。如果我们用放大倍数更高的电子显微镜观察,就会发现看上去平滑的鳞片实际上包含了更为复杂的微观结构,很像图书馆的藏书室。每片鳞片都包含了许多的突起,这些突起的高度大约2微米,宽度只有约0.3微米,间距在1个微米左右。每个突起的下半部与鳞片相连,上半部则有着更为精细的层状结构;层与层之间被空气隔开,层的厚度与间距都只有几百纳米。这些层状结构正像我们讨论过的肥皂泡一样,可以让光在每个界面发生反射。这些层状结构的厚度和间距恰好可以使得反射光中的蓝光强度达到最大,而足够多的层数又保证了光强度的增加,因此闪蝶的翅膀就会呈现出明亮耀眼的蓝色。

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图2 某种闪蝶鳞片中的微观结构[4]

研究表明,闪蝶翅膀鳞片中的微观结构,能够将入射光中蓝光的60%甚至更高反射回去;而其他颜色的光,一般只有20%左右被反射。难怪闪蝶翅膀会带有耀眼的蓝色。有趣的是,不同种类的闪蝶其鳞片上微观结构的尺寸也不完全相同,因此它们的翅膀虽然都是蓝色,但每一种闪蝶的色彩都略有差别。

现在各位朋友应该清楚了,为什么上一篇开头提到的那位研究员,在试图从闪蝶翅膀中提取“蓝色颜料”时会屡屡遇到诡异的现象了。研磨闪蝶翅膀的过程破坏了其中的微观结构,结构色也就随之消失。闪蝶翅膀上的鳞片有些会含有褐色的颜料,因此破坏了微观结构后,他很可能会得到一堆褐色的粉末。

那么闪蝶翅膀浸在酒精中颜色会发生变化,又是怎么回事呢?光学原理告诉我们,当光照射到一个由两种不同材料组成的层状结构上时,反射光中哪种颜色的光最为强烈不仅取决于两种材料各自的厚度,还与两种材料光学性质的差异有很大关系。当闪蝶翅膀浸入酒精中时,酒精取代了原先存在于层与层之间的空气;而酒精的光学性质与空气并不相同,于是翅膀的颜色就发生了变化。把翅膀从酒精中取出后,酒精挥发,空气重新占据层与层的间隙,我们又重新看到耀眼的蓝色。如果我们把闪蝶翅膀浸到另一种液体中,闪蝶翅膀的颜色可能又会有所不同。这样的现象在颜料色中是观察不到的——一根胡萝卜无论是在空气中还是在水中始终都是橙红色。

千变万化的结构色

层状结构能够非常有效地产生颜色,因而除了闪蝶,还有许多动物利用类似的结构为自己添上绚丽的色彩,甚至一些植物也懂得利用它。例如一些植物的叶片呈现出淡淡的蓝色,同样是结构色的功劳。这些植物叶片的上表皮存在着由两种光学性质不同的纤维素组成的层状结构,这些层状结构同样可以像闪蝶的鳞片那样强烈地反射某种颜色的光。[5,6]

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图3 卷柏类植物Selaginella willdenowii的叶片由于存在其中的层状结构(下图,电子显微镜照片)而呈现蓝色[5,6]。

还有些生物产生结构色的微观结构更为复杂,孔雀就是一个很好的例子。见过孔雀的朋友一定都会对孔雀尾翎上那些蓝色带金属光泽的“眼睛”留下深刻的印象。如果我们用电子显微镜观察“眼睛”区域的羽毛就会发现,在羽毛表面的一层角蛋白之下是由一系列直径大约100纳米、长度大约1微米的黑色素形成的“小棒”,这些小棒由角蛋白连接起来。在它们之间留有许多孔道,被空气占据。这些孔道之间排列成矩形或者正方形。因此羽毛中充满了许多规则排列的充满空气的孔道,这种结构要比我们刚才提到的层状结构复杂得多,不过它同样能够让反射光中某些波长的光发生干涉强度达到最大,因而孔雀不需要颜料就能让自己的羽毛具有艳丽的色彩。有趣的是,这种微观结构稍有变化,孔雀的羽毛就完全不同。例如呈现蓝色的羽毛包含了9至12层孔道,孔道之间的距离是140纳米。如果孔道间距仅仅增加10纳米,羽毛就变成了绿色。还有一些羽毛是黄色,这样的羽毛只包含大约6层孔道,间距在165纳米左右。

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图4 孔雀羽毛中像眼睛一样的区域是由于其中的微观结构(右)产生的结构色。右上和右下分别为羽毛横截面和纵截面的电子显微镜照片,暗色区域是空气孔道。[7]

不会褪去的颜色

如果翻出十几年前照的彩色相片,我们会发现,许多照片的颜色已经不再鲜艳。博物馆的工作人员常常为防止馆藏名画变色而绞尽脑汁。褪色的现象之所以会发生,是因为这些物体的颜色来自于其中的颜料或染料,而许多颜料长时间放置在空气中,会逐渐和氧气发生化学反应,生成了新的化合物。这些新生成的物质由于结构不同于原来的颜料,或者选择性地吸收了另外颜色的光,导致颜料的颜色发生变化;或者完全失去了这种本领,于是颜料就彻底地失去了颜色。

如果我们使用结构色来产生颜色,就不必担心这种问题。结构色的产生并不依赖具体的化学物质的颜色,所以我们完全可以选择化学性质更加稳定的物质来担当这份“重任”。只要形成结构色的微观结构保存完好,鲜艳的颜色就可以永远保持下去。一个典型的例子是鸭跖草科杜若属中一种植物,它的果实颜色和我们常见的茄子、蓝莓很像,都是鲜艳的蓝紫色;但是这种植物的果实中并没有任何蓝色或者紫色的“颜料”,而是依靠果皮中的微观结构来产生颜色。1974年,研究人员在非洲采集了它的标本,保存在英国皇家植物园。40年过去了,果实光彩依旧,看上去和刚刚成熟时一模一样。[4]

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图5 鸭跖草科植物Pollia condensata的果实的蓝色来源于存在于果皮中的微观结构。[8]

用结构色来代替颜料色还有一个很大的好处,就是能会让我们的生活变得更加安全。许多颜料虽然色泽鲜艳,但也许本身具有不小的毒性,或者在生产过程中会用到有毒有害的试剂,因此往往会对环境和人体健康造成一定的危害。而结构色的产生不依赖于特殊的化学性质,我们自然可以选择更加安全的化学物质为我们带来颜色。

尽管我们已经开发出不计其数的天然和合成的颜料来提供颜色,但正是由于结构色的这些显著的优点,科学家们投入了相当多的精力,试图模仿自然界中产生结构色的微观结构,希望结构色能够为我们带来焕然一新的色彩体验。上一篇提到的那位“屡战屡败”的研究员,自从了解了结构色后,决定调整研究方向,致力于开发这种有别于传统颜料色的色彩。

凭借自己的聪明才智,这位研究员很快从模仿闪蝶翅膀上的层状结构中开发出一系列结构色的“颜料”。产品刚一投放市场确实很受欢迎,可是没过多久,顾客的投诉就纷至沓来。顾客们的抱怨集中在一个问题——虹色。虹色又是怎么回事呢?敬请关注《不需要颜料的色彩》的第三部分。

扩展阅读:

不需要颜料的色彩(一)

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]图1的右图计算的是由折射率为1.6的材料与空气组成的层状结构对不同波长的光的反射,而水的折射率是1.33,因而具体的计算结果会变化,但结论类似;即层数越多,反射效果越明显。

[2] http://grjapan.ddo.jp/gaaj_report/2005a/2005_12b-02e.html

[3] S. Kinoshita, S. Yoshioka and J Miyazaki, “Physics of structural colors”, Reports on Progress in Physics, 2008, 71, 076401

[4] Shuichi Kinoshita, Shinya Yoshioka and Kenji Kawagoe, “Mechanisms of structural colour in the Morpho butterfly: cooperation of regularity and irregularity in an iridescent scale”, Proceedings of the Royal Science B, 2002, 269, 1417

[5] http://www.jointheevolution.ca/blog/2011/05/19/glow-in-the-light-ferns/

[6] Katherine R. Thomas, Mathias Kolle, Heather M. Whitney, Beverley J. Glover and Ullrich Steiner, “Function of blue iridescence in tropical understorey plants”, Journal of the Royal Society Interface, 2014

[7] Jian Zi, Xindi Yu, Yizhou Li, Xinhua Hu, Chun Xu, Xingjun Wang, Xiaohan Liu, and Rongtang Fu, “Peacock structural color”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2003, 100, 12576

[8] Silvia Vignolini, Paula J. Rudall, Alice V. Rowland, Alison Reed, Edwige Moyroud, Robert B. Faden,Jeremy J. Baumberg, Beverley J. Glover, and Ullrich Steiner, “Pointillist structural color in Pollia fruit”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012, 109, 15712

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目前评论:4   其中:访客  1   博主  0   引用   3

  1. avatar chesa 5

    很好。拜读。

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  • 科学公园 : 不需要颜料的色彩(一)
  • 科学公园 : 不需要颜料的色彩(三)
  • 科学公园 : 不需要颜料的色彩(四)

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