为什么扫描电镜下的蝴蝶翅膀没有颜色?

又到了一年一度的高考。每年的高考语文作文都会成为人们关注的焦点,今年自然也不例外,其中安徽省的题目尤其引人注目,命题人要求考生就如下科学现象发表看法[1]

为了丰富中小学生的课余生活,让同学们领略科技的魅力,过一把尖端科技的瘾,中科院某研究所推出了公众开放日系列科普活动。活动期间,科研人员特地设计了一个有趣的实验,让同学们亲手操作扫描式电子显微镜,观察蝴蝶的翅膀。

通过这台可以看清纳米尺度物体三维结构的显微镜,同学们惊奇地发现:原本色彩斑斓的蝴蝶翅膀竟然失去了色彩,显现出奇妙的凹凸不平的结构。

原来,蝴蝶的翅膀本是无色的,只是因为具有特殊的微观结构,才会在光线的照射下呈现出缤纷的色彩……

这段话描述的是近些年颇为热门的结构色现象。选择科学现象作为高考作文的话题当然值得鼓励,但是说原本色彩斑斓的蝴蝶翅膀在电子显微镜下失去颜色是因为其特殊的微观结构则不够严谨。因为任何物体用电子显微镜都看不到缤纷的色彩,只能看到黑白灰。为什么会这样呢?

首先,我们需要了解什么是颜色。我们都知道光是电磁波的一种,但电磁波的波长覆盖了极其宽广的范围,而只有波长在390-750纳米这个范围的电磁波能够被人眼所感知,即通常说的可见光。可见光中每一种波长的光都可以让人眼感受到不同的颜色。在日光中,不同波长的可见光以大致相当的强度相混合,如果一个物体将日光中的可见光全部吸收,或者全部反射,抑或让它们全部透过,我们就会感到这个物体时黑色、白色或者无色透明的。严格来说,只有最后一种状态才是真正的“没有颜色”。但我们提到颜色时,更多指的是可见光中某一种或者几种波长的光产生的红、绿、蓝等颜色,也就是常说的“彩色”。如果一个物体只能展现出黑白色或者是透明的,我们也习惯称其为“没有颜色”。

我们身边的大多数物体自身都不能发光,只能被动地反射或者透射日光或者灯光。如果这些物体的某种成分能够选择性地将可见光中某些波长的光吸收而让其余波长的光进入人眼,那么这些物体就带上了不同的颜色。这样因特定化学物质对光的吸收而产生的颜色,常被称为“颜料色”,这也是大多数物体色彩的来源。

但也有一些物体的色彩并非产生于化学物质,而是由于自身形成了某种特殊的结构,这种结构能够通过干涉、散射等光学现象让某种颜色的光更强烈地进入人眼,这样的颜色被称为“结构色”。对于这样的颜色,由哪种化学物质去构成并不那么重要,但一定要保持特定的结构,一旦这个结构消失,颜色也就随之变化。蝴蝶翅膀上的色彩可能因为颜料色也可能因为结构色,还有可能是二者共同作用的结果。笔者去年写过一个《不需要颜料的色彩》系列,其中提到闪蝶翅膀的蓝色就属于安徽省高考命题中“本是无色,只是因为具有特殊的微观结构,才会在光线的照射下呈现出缤纷的色彩”的结构色。

闪蝶

闪蝶翅膀上的蓝色为结构色

通常,形成结构色的某种结构的尺度都很小,不仅用肉眼无法看到,有的甚至用光学显微镜也很难分辨。这是因为光学显微镜的分辨率受到阿贝极限的限制,当相邻两个点的距离小于波长的一半时,显微镜就无法将它们区分开。可见光中波长最短的紫光波长大约在400纳米,这也就是说尺度在200纳米(0.2微米)或者更小的物体,用光学显微镜是无法分辨清楚的。形成结构色的结构的尺寸一般都接近这个数值,因此虽然近些年出现的超高分辨率显微镜能够通过一些办法巧妙地绕过阿贝极限看到更小的物体(可参见笔者之前所写的《突破阿贝极限——解读2014年诺贝尔化学奖》和《STED显微镜:超高分辨率不再是梦想》),但更多的情况下,我们仍然需要借助电子显微镜来看清这些尺寸更小的微观结构。

为什么电子显微镜能够看到尺寸更小的结构呢?刚才我们提到,光学显微镜能够分辨清楚的最小尺寸大约是波长的一半。如果波长变得更短,那么显微镜能够看清的尺寸也就随之变小,电子显微镜正是利用了这一特点。电子和光子一样,也具有波动的性质,而高速运动的电子的波长能变得非常小。例如,在100千伏高压作用下高速运动的电子波长只有不到0.004纳米,自然能够让我们看到尺寸更小的物体。接下来我们让高速运动的电子穿过被切得非常薄的样品。如果在样品后方放置一块涂有荧光材料的屏幕,电子穿过样品到达荧光屏后,就会使得荧光材料发光。就像不同的材料对可见光的吸收效果不同一样,电子能否顺利穿过样品也取决于样品的具体组成。如果样品对电子的吸收较弱,较多的电子到达荧光屏,屏幕对应的区域就会比较亮;相反,如果某个区域的样品对电子的吸收能力较强,屏幕对应的区域就较暗[2]。这样通过明暗对比,我们就看清了物体的结构。这种构造的电子显微镜被称为透射电子显微镜。

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图1 透射电子显微镜观察到的线粒体[3]

除了透射电子显微镜,另一种常用的电子显微镜就是今年安徽省高考语文作文题中提到的扫描电子显微镜,它们虽然是“亲生兄弟”,各自的工作原理其实有不小的差别。当我们用扫描电子显微镜观察样品时,高速运动的电子撞击到物体表面上,一部分电子会被样品反弹回来,还有的电子使得样品自身的电子从样品中被弹射出来,这个过程中还可能产生X射线。这些电子和X射线随后被扫描电子显微镜的检测器“一网打尽”。

那么扫描电子显微镜是如何分辨不同的样品? 首先,样品的表面通常并非平整,而是起伏不平,而倾斜程度不同的结构对电子的反弹程度也不同。这样通过比较收集到的电子的强弱,我们就可以分析出样品表面的结构;其次,不同的材料对电子的反弹程度也有所不同,因此扫描电子显微镜也可以反映出样品表面化学成分的不同。由此可见,透射电子显微镜擅长观察样品内部的结构,扫描电子展示的则是样品表面的特征,二者各有所长。

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图2 扫描电子显微镜观察到的某种蕨类植物叶片的横截面[4]

通过上面的介绍,相信大家应该能够理解为什么用电子显微镜看不到物体的颜色了:因为人们看到的颜色是可见光带来的性质,而无论是透射电子显微镜还是扫描电子显微镜,都是依靠没有颜色的电子与物体相互作用,我们自然无法再看到物体的颜色。虽然我们要依靠光学手段——如前面提到的荧光屏——将电子的信号转换为肉眼可以看到的光学图像,但这种光学图像通常也只反映了电子的强弱而已。因此,无论被观察的样品本身颜色多么绚丽,也无论这种颜色是颜料色还是结构色,在电子显微镜下面我们看到的都是黑白图像。另外,扫描电子显微镜通常只适合用来观察金属等导体,当观察类似生物样品这样不导电的物体时,一般需要事先在表面喷涂一层金或者其他导体。因此,就算用扫描电子显微镜能看到颜色,往往也不再是样品自身的颜色。

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图3 某篇研究鸟类羽毛结构色的论文的实验方法部分清晰表明用于扫描电子显微镜的样品的表面事先喷涂了一层金[5]

那么,为什么我们经常看到彩色的电子显微镜照片?这些彩色的电子显微镜照片实际上都是所谓的假色图或者伪彩图,也就是说图中的颜色并不代表人眼真实感知的颜色,只是为了更好地突出显示某些结构,或者纯粹为了更好的审美效果而通过人为的规定将原本的灰度图片转化为彩色图片。这种转化通常并不难,仍以电子显微镜为例,我们可以规定屏幕上接收到的电子强度最大时显示紫色,最小显示为红色,介于二者之间的根据强度大小赋予橙、黄、绿等颜色,这样原本黑白的电子显微镜图片就会变得色彩纷呈。

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图4 假色图经常被用来更好地展示分析测试的结果,例如图中所示为计算机模拟的南极上空臭氧浓度,不同颜色表示不同浓度,并非南极上空的真实颜色[6]

假色图在各种分析测试中应用广泛,例如,原子力显微镜——另一种常用于观察微观结构的显微手段——就是通过一根极细的探针与样品表面的相互作用来感知样品表面的结构(具体原理可参见《针尖下的世界——漫谈原子力显微镜》一文),它产生的图像经常以假色的形式来展现,样品表面不同的高度会被赋予不同的颜色。和电子显微镜一样,原子力显微镜也无法观察到样品的真实颜色,试想你闭着眼睛能否用手摸出一个球是红色还是蓝色?通常假色图都会伴以标尺,用来说明不同颜色的不同含义。大家在遇到这种图像时一定要多加小心,不要把它当成真实的色彩。

参考文献和注释:

[1] http://edu.sina.com.cn/gaokao/2015-06-07/1130471767.shtml

[2]包括生物样品在内的有机材料通常对电子的吸收能力相差不大,因此需要用特殊的试剂对某些区域进行染色,增强对电子的吸收,从而提高图像的反差

[3] https://yr11-biology-revision.wikispaces.com/Cell+organelles

[4]http://legacy.mos.org/sln/sem/fern.html

[5] Vinodkumar Saranathan, Jason D. Forster, Heeso Noh, Seng-Fatt Liew, Simon G. J. Mochrie, Hui Cao, Eric R. Dufresne, Richard O. Prum, “Structure and optical function of amorphous photonic nanostructures from avian feather barbs: a comparative small angle X-ray scattering (SAXS) analysis of 230 bird species”, Journal of the Royal Society Interface, doi:10.1098/rsif.2012.0191

[6]https://cen.acs.org/articles/93/i22/Montreal-Protocol-Healing-Earths-Ozone.html

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