不需要颜料的色彩(四)

摘要

结构色是古老的,它伴随着地球上的生物走过了漫长的历程,为它们带来了缤纷的色彩,帮助它们更好地在自然界中生存。结构色又是年轻的,人类对它的了解和利用还刚刚开始。相信在不远的将来,这种不需要颜料的色彩会给我们的生活带来更多的惊喜。

天空为什么是蓝的

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在《不需要颜料的色彩(3)》中,那位研究员认为与孔雀一样,蜂虎、蓝知更鸟的羽毛中也存在微观结构,导致光发生干涉,因此这种蓝色也是结构色。审稿人反驳说:孔雀羽毛中的微观结构排列非常规则,而翠鸟、蓝知更鸟的蓝色羽毛的微观结构则是杂乱无章的。根据光学原理,这样无规则的结构不太可能让光发生干涉。比较合理的解释是这些微观结构强烈地散射了蓝色光,于是我们就看到这些鸟的羽毛呈现蓝色。

这位审稿人提到了一个很重要的概念:散射。什么是散射呢?我们都知道,光无论是在空气、水或其他介质中,总是沿着直线传播。一旦遇到一个小的颗粒,例如空气中的尘埃或是水中的油滴,就有一部分光线偏离原来的方向向四面八方传播,这就是光的散射现象。

图1 光的散射

图1 光的散射

光线遇到的颗粒尺寸越小,散射现象就越明显。如果颗粒的直径与光的波长相仿,这时虽然会有一部分光散射,但散射光偏离原来的方向不算太厉害;并且如果这个颗粒不会选择性地吸收某种颜色的光,那么各种颜色的光发生散射的强度差不多。也就是说,如果入射的红光有20%偏离原有方向,那么入射的蓝光也差不多有20%偏离原有方向。由于散射光中各种颜色光的强度差不多,如果我们站在偏离入射光的角度看,自然会看到白色。牛奶之所以是乳白色,也是因为大量分散在水中的蛋白质团聚物造成了光散射。我们通常使用的白色颜料也是利用了同样的原理。

如果颗粒的尺寸变得更小,例如只有可见光波长的十分之一,情况就完全不同了——不仅散射光的方向会更加强烈地偏离入射光的方向,而且不同颜色的光发生散射的几率也不再相同。光学原理告诉我们,在这种情况下,某个波长的光发生散射的几率与其波长的4次方成反比。这意味着波长越短的光越容易发生散射,波长为450纳米的蓝光被散射的程度可以达到波长是700纳米的红光的将近6倍!我们看到天空是蓝色的,正是因为各种气体分子的散射作用使得散射光中蓝光的强度远远高于红、黄、绿等波长更长的光[1]

细心的读者可能会问,既然波长越短被散射得越厉害,而紫光的波长比蓝光更短,为什么天空在我们眼中不是紫色呢?这主要是因为,我们视网膜上能够感受到颜色的视锥细胞分为三种,分别对红、绿、蓝三种颜色的光最为敏感。虽然被气体分子散射的紫光强度很高[2],但由于我们的眼睛对紫光并没有蓝光那么敏感,因此我们并不会看到紫色的天空[3,4]

包括审稿人在内的许多科学家认为,没有虹色现象的蓝色羽毛中充满了空气构成的微小孔洞,这些孔洞同样会强烈地散射阳光中的蓝光,于是就带上蓝色;而发生散射时,无论在哪个方向,蓝光的强度总是高于红光、黄光和绿光,所以我们变换角度并不会看到羽毛的颜色发生变化。

乍一听,这个解释很合理,那位研究人员也心服口服。然而他突然想到:这个解释被接受这么久了,好像还没有人具体测量一下这些被这些蓝色羽毛散射的光中各种颜色光的强度。这个实验并不难做,那么我就来测一测吧。

这一测不要紧,又发现了问题。

既规律又不规律的结构
bird

图片来源:staticflickr

我们来看看这位研究人员的测量结果(图2)。很明显,从这束羽毛散射的光中,蓝光的强度远远大于波长更长的红光、黄光和绿光,这个结果与理论预测吻合得很好。可蓝光的强度也远远大于波长比它短的紫外线,这就不对劲了。根据刚刚提过的散射原理,紫外线应该比蓝光更加强烈地被散射才对。显然,尽管研究人员论文的结论确实不合理,但枪毙掉论文的审稿人的解释似乎也站不住脚了。严格说来,那位审稿人的解释只对了一半,这种蓝色的形成确实与散射有关;只不过他忽略了另一位主角,就是我们曾反复提及的干涉现象。

图2 某种具有蓝色结构色但不具有明显虹色现象的鸟的羽毛对不同颜色光的散射情况。横坐标为波长,纵坐标为相对的散射强度,数值越大表示散射光越强烈[5]。

图2 某种具有蓝色结构色但不具有明显虹色现象的鸟的羽毛对不同颜色光的散射情况。横坐标为波长,纵坐标为相对的散射强度,数值越大表示散射光越强烈[5]。

当阳光照射到这样一束羽毛上,开始在构成羽毛的角蛋白中的旅行时,角蛋白充满空气的小孔让光发生散射向四面八方传播。角蛋白中遍布着不计其数的小孔,光在每一个小孔都会发生散射,这些散射光遇到一起,同样有可能发生干涉。如果发生干涉的结果是蓝光相长干涉强度达到最大,那么我们就会看到蓝色。但是干涉的发生有一个前提,那就是这些小孔的排列必须非常规则,而不能远近不等。科学家们一直认为这些蓝色羽毛中的微观结构是杂乱无章的,因而不相信干涉会发生,但单纯用散射的原理又无法解释有悖于理论预测的蓝光强于紫光这个结果,这就陷入了困境。

随着进一步分析,科学家们终于破解这个困境。原来,像翠鸟、蓝知更鸟等鸟的蓝色羽毛中的结构看似杂乱无章,其实还是有一定规律的,或者说介于完全规律和完全不规律之间。这是什么意思呢?

现在有一张围棋棋盘,如果我们在每一个棋路的交点上都放置一枚棋子,这些棋子就组成了一个非常有规律的结构。密布在孔雀羽毛中的空气孔道就类似于这样规则排列的棋子。我们称这样的结构为“长程有序”,意思是有规律的结构能够维持相当远的距离——只要棋盘足够大,棋子之间的规律排布可以一直延续下去。另外,我们在棋盘的一角顺着棋盘的两条边和对角线分别看过去,棋子之间的距离显然是不同的,因此这样的结构还具有另一个重要的特点——各向异性,也就是说在不同的观察角度会看到不同的结构。

现在让我们用胶水将每个棋子都固定在棋盘的交点上,然后将棋盘连同上面的棋子一起剪成许多小块,再把剪成小块的棋盘连带上面的棋子随意铺到桌面上。这样,小范围内棋子排列得仍然有规律,但在更大的范围内,它们之间却变得杂乱无章。像这样的结构,我们称它“短程有序”,意思是有规律的结构并不能维持很远的距离。同时,这样的结构也不再是各向异性,而是各向同性,也就是说无论我们从哪个角度去看,看到的结构都差不多。翠鸟、蓝知更鸟等鸟的蓝色羽毛中的微观结构就类似于这种情况,空气孔洞之间的排列有一定的规则,但又不太完美,但这种结构对于产生颜色来说已经足够了——能够使得某种颜色的光发生干涉。对于这些鸟来说,孔洞之间的间距恰好有利于蓝光通过发生干涉强度达到最大,于是它们的羽毛就带上了蓝色[5]

图3长程有序、各向异性的结构(左)产生的结构色会具有强烈的虹色,而短程有序、各向同性的结构(右)产生的结构色不会产生明显的虹色现象

图3长程有序、各向异性的结构(左)产生的结构色会具有强烈的虹色,而短程有序、各向同性的结构(右)产生的结构色不会产生明显的虹色现象

为什么短程有序、各向同性的结构不会产生虹色呢?假设有一块薄膜平放在桌面上,而且我们的视线垂直于桌面时看到薄膜呈现蓝色。当我们的视线向着平行于桌面的位置移动时,根据前面的分析,从薄膜的两个表面反射的光的路程差在变小,因此薄膜的颜色就有可能由蓝变紫。

现在让我们把这块薄膜剪成许多小块,然后随机改变每一小块薄膜相对于桌面的排列方向,例如有的薄膜仍然平放在桌面上,有的则与桌面成45度角,还有的则垂直于桌面。如果我们的视线垂直于桌面,从不同的薄膜的两个表面反射的光的路程差不尽相同,因此我们很可能看到有的薄膜是蓝色,另外一些是紫色。当我们的视线换到另一个位置时,从这些薄膜的两个表面反射的光的路程差仍然各不相同,于是我们可能还是看到蓝色与紫色共存。换句话说,对于短程有序且各向异性的结构,无论我们从哪个角度去观察,总是看到大致相同的结构,自然也就不会观察到不同的结构色了。

弄清了没有虹色的结构色产生的原因,结构色为我们服务的一大障碍就被移除了。我们之前提到的那位研究员自然也是非常兴奋,因为终于找到消除虹色的办法了。没过多久,他又开发出一种新产品。那么他这次的发明有什么新奇之处呢?

古老又年轻的结构色

这位研究员拿出了一些棕褐色的粉末,把它添加到烧杯中的溶剂里,然后用力搅拌了一会儿,烧杯中的液体居然变成了红色。他又把烧杯转动了几个不同的角度,杯中液体的颜色并没有明显的变化。接下来他取了一点红色的液体夹在两个电极中然后通上电,随着电压的增加,液体的颜色居然由红变绿,又由绿变蓝[6]。

图4 颜色随着电压变化而改变的结构色[6]

图4 颜色随着电压变化而改变的结构色[6]

原来,这位研究员向溶剂中加入了许多金属氧化物的颗粒。这些颗粒分散在溶剂中,就像是遍布在角蛋白中的小孔,产生了没有虹色现象的结构色。当这些颗粒被放在电场中时,随着电压变化,它们之间的距离发生变化,结果产生的颜色也随之改变。

这是一项非常有趣的结果,但这位研究员并不满足于有趣,他有更为宏大的目标——用这种材料来取代电脑和手机的显示屏。我们常用的电子产品几乎都是要依靠自身光源来显示文字或图案,这类方法弊端很多,例如盯着屏幕看久了眼睛会觉得疲劳;而且手机、平板电脑这样的移动设备,宝贵的电能不得不大量用于维持光源的发光。相反,如果用这种结构色来作为电子产品的显示设备,我们只需借助日光或者灯光就可以看清屏幕上的文字和图案,而且在改变电压时,屏幕的颜色还可以发生变化。这样的发明听上去是不是很美好?

结构色是古老的,它伴随着地球上的生物走过了漫长的历程,为它们带来了缤纷的色彩,帮助它们更好地在自然界中生存。结构色又是年轻的,人类对它的了解和利用还刚刚开始。相信在不远的将来,这种不需要颜料的色彩会给我们的生活带来更多的惊喜。

(全文完)

相关阅读:

不需要颜料的色彩(一)

不需要颜料的色彩(二)

不需要颜料的色彩(三)

参考文献和注释:

[1]在日落时,太阳光需要传播更远的距离才会到达人眼,这时波长较短的蓝光大多被散射掉,到达我们眼中的阳光中红光强度更大,因此日落时天空会呈现红色。

[2]太阳光中紫光的强度本来就略低于蓝光,加之紫光更容易被大气层吸收,因此散射光中紫光的强度实际上低于蓝光,这也是天空并非紫色的一个原因,但更主要的原因仍然是人眼对于蓝色远比紫色敏感。

[3 http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/BlueSky/blue_sky.html

[4] Glen S. Smith, ”Human Color Vision and the Unsaturated Blue Color of the Daytime Sky”, American Journal of Physics, 2005, 73, 590

[5] Heeso Noh , Seng Fatt Liew , Vinodkumar Saranathan , Simon G. J. Mochrie, Richard O. Prum , Eric R. Dufresne, and Hui Cao, “How Non-Iridescent Colors Are Generated by Quasi-Ordered Structures of Bird Feathers”, Advanced Materials, 2010, 26-27, 2871

[6] Insook Lee, Daihyun Kim, Jinha Kal, Heeyoel Baek, Dongwoo Kwak, Dahyeon Go, Eunjoo Kim, Changjoon Kang, Jeyon Chung, Yulim Jang, Seungwook Ji, Jaehyun Joo and Youngjong Kang, “Quasi-Amorphous Colloidal Structures for Electrically Tunable Full-Color Photonic Pixels with Angle-Independency”, Advanced Materials, 2010, 22, 4973

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