關(guān)于大學(xué)物理教材中孔雀羽毛色彩變化原因的討論

李 艷 陳 敏 王天文

（揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

圖1

我們?cè)趯W(xué)習(xí)大學(xué)物理講到光的薄膜干涉時(shí)，教科書上舉了這樣一個(gè)例子：一片孔雀的羽毛，咋一看，羽毛表面呈一般的藍(lán)綠色，但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)羽毛的顏色在閃爍，如果換個(gè)角度或當(dāng)羽毛在抖動(dòng)時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)顏色發(fā)生了變化，這是一種光的“薄膜干涉現(xiàn)象”.［1］我們通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，孔雀羽毛顏色變化是“薄膜干涉”現(xiàn)象的解釋是不正確的.［2，3］

圖2

圖3

其實(shí)，根據(jù)科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)雄性孔雀羽毛的顏色不僅來源于色素，還來源于它所具有的特殊的物理結(jié)構(gòu)——生物光子晶體（見圖4）.［5，6］羽毛上的組織生物光子晶體可以對(duì)光產(chǎn)生散射和干涉作用，依靠自然光與波長(zhǎng)尺度相似的納米光子晶體結(jié)構(gòu)的相互作用而產(chǎn)生顏色，這就是科學(xué)家所說的納米結(jié)構(gòu)生色.［3］不只是孔雀的羽毛，很多蝴蝶、蜻蜓的翅膀，甲殼蟲［5，6］和一些水母、海鼠［7］彩虹色的產(chǎn)生也是由于這個(gè)原因.

圖4

復(fù)旦大學(xué)資劍教授的課題組研究發(fā)現(xiàn)，［2］雄性孔雀羽毛的小羽枝表皮下面存在著生物光子納米結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)和理論模擬結(jié)果顯示，二維周期結(jié)構(gòu)沿表皮方向?qū)τ谀骋徊ǘ蔚墓庥泻軓?qiáng)的反射，從而會(huì)形成不同的顏色.這種結(jié)構(gòu)對(duì)光主要有兩種調(diào)控方式：一種是周期長(zhǎng)度（也稱為晶格常數(shù)）調(diào)控，另一種是周期數(shù)目調(diào)控.表皮下生物光子晶體的結(jié)構(gòu)不同的晶格常數(shù)控制著不同的顏色，孔雀羽毛小羽枝的棕色、黃色、綠色、藍(lán)色所對(duì)應(yīng)的晶格常數(shù)依次減少.研究還發(fā)現(xiàn)棕色羽毛的產(chǎn)生有所不同，其晶格常數(shù)最小.

有的研究者對(duì)雄性孔雀羽毛的結(jié)構(gòu)生色原理作了進(jìn)一步的研究，他們通過光學(xué)顯微鏡等儀器觀察孔雀羽毛小羽枝的微觀結(jié)構(gòu)，證明生物光子晶體的不完全光子帶隙結(jié)構(gòu)使得落在光子帶隙內(nèi)的光反射加強(qiáng)，并且不同的角度反射光的波長(zhǎng)也不一樣，發(fā)射出的顏色光彩不同.［3］入射的自然光與周期性的納米結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，角蛋白桿周期性排列的緊密程度以及相互疊加的層數(shù)決定了雄性孔雀羽毛呈現(xiàn)黃、綠、藍(lán)、棕等不同彩色.正是這種生物光子晶體的周期性產(chǎn)生的光的干涉是雄性孔雀羽毛絢麗多姿的主要原因，也正是如此能使本來沒有顏色的生物體由于結(jié)構(gòu)生色呈現(xiàn)出閃爍斑斕的色彩.對(duì)于雌性孔雀的羽毛的研究觀察并不具有這種微觀周期性結(jié)構(gòu)，因此也就不會(huì)顯示出絢麗的色彩.

相比于由色素產(chǎn)生的色素色，結(jié)構(gòu)生色的色彩飽和度高且綠色環(huán)保，只要保證結(jié)構(gòu)生色材料的折射率和尺寸不變，其顏色就不會(huì)消減.生物體內(nèi)周期性結(jié)構(gòu)生色機(jī)理為仿生制作光子晶體提供了依據(jù)，可以仿生設(shè)計(jì)制備出具有類似于孔雀羽毛光子晶體結(jié)構(gòu)的功能復(fù)合材料，將在光學(xué)器件和光通信領(lǐng)域具有很大應(yīng)用價(jià)值.［7］［8］［9］孔雀羽毛的這種結(jié)構(gòu)生色機(jī)理也可應(yīng)用于改善紡織品著色技術(shù)，提高紡織品顏色的深度和鮮艷度.［3］利用結(jié)構(gòu)生色原理能最大限度的減少顏料的使用，從而簡(jiǎn)化、縮短整個(gè)加工進(jìn)程，促進(jìn)紡織業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，并且能夠減少污染，省水節(jié)能.

1 毛駿健，顧牧，大學(xué)物理（下冊(cè)）［M］，北京：高等教育出版社2006（1），96－105.

2 Zi J，Yu X，Li Y，et al.Coloration strategies in peacock feathers［J］.PNAS，2003（22）：12576－12578.

3 龔?，盧永凱，王紅鳳等.孔雀羽毛的納米結(jié)構(gòu)生色機(jī)理及其仿生結(jié)構(gòu)器件的應(yīng)用初探［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2010（5）：859－862.

4 潘篤武，賈玉潤(rùn)，陳善華.光學(xué)（上冊(cè)）［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1997（6）：125.

5 田長(zhǎng)鑫.生物光子納米結(jié)構(gòu)分析［J］，企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011（12）：38，48.

6 Parker A R，Martini N.Structural color in animals-simple to complex optics［J］.Optics ＆ Laser Technology，2005（38）：315－322.

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9 Parker A R.A vision for natural photonics［J］.Phil.Trans.R.Soc.Lond.A，2004：2708－2720.