結(jié)構(gòu)下的色彩奧秘

李慶欣

自然界中，有許多動物都具備神奇的變色能力，最為大家所熟知的非變色龍莫屬了。長久以來，生物學(xué)家們都以為，變色龍的變色是通過控制其皮膚的三層色素細胞中的色素在各層之間交融變換，來實現(xiàn)身體顏色的多種變化，即色素變色說。然而，不久前瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的科學(xué)家通過深入研究，有力地推翻了變色龍的色素變色說，并指出變色龍皮膚內(nèi)的納米晶體是變色龍變色的根本原因，即晶體折射變色說。也就是說，變色龍是利用了皮膚納米晶體的變化，改變皮膚表面晶格的結(jié)構(gòu)，從而改變了其皮膚的“結(jié)構(gòu)色”。

色彩魔術(shù)的創(chuàng)造者

在人類的日常生活中，我們通過色素來實現(xiàn)顏色的改變，這統(tǒng)稱為化學(xué)色。與常見的化學(xué)色不同，結(jié)構(gòu)色與色素無關(guān)，它是生物體表面的亞顯微結(jié)構(gòu)——嵴、紋、小面和顆粒，使光波發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉，所導(dǎo)致的一種特殊的顏色效應(yīng)。

這里以變色龍的變色原理為例。由于可見光是由七種不同顏色的有色光組成——紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，其中，紅色光的波長最長，而紫色光的波長較短。當變色龍心情平靜時，其體表皮膚中的納米晶體變得更加緊密，使其反射波長較短的藍紫色光，則其皮膚顯現(xiàn)為藍紫色；而當變色龍較為興奮時，納米晶體變得松弛下來，則會反射波長較長的紅黃色光。變色龍就是這樣通過其皮膚結(jié)構(gòu)色的改變，為我們表演一場場光彩奪目的色彩魔術(shù)的。

巧奪天工的自然結(jié)構(gòu)色

或許，結(jié)構(gòu)色這個名詞對于大家來說還有些陌生，但其實它在自然界中處處可見，而我們也不得不嘆服大自然的鬼斧神工。

300多年前，著名的英國科學(xué)家牛頓就發(fā)現(xiàn)，雄性孔雀尾羽中被稱作“眼斑”的部分，色彩極其華麗，而這種光澤閃耀的色彩是源于孔雀尾羽非常纖細的毛細絲結(jié)構(gòu)，使光發(fā)生了干涉所產(chǎn)生的，因此也使孔雀尾羽從不同的角度呈現(xiàn)不同的顏色。

此外，蝴蝶是大自然中唯美自由的象征，而其翅膀上繽紛的花紋和色彩，幾乎是自然界最為巧奪天工的作品。雖然，蝴蝶翅膀上絢麗的色彩有化學(xué)色的功勞，但結(jié)構(gòu)色同樣功不可沒，幾乎沒有蝴蝶不具有結(jié)構(gòu)色，并且其光亮度是色素發(fā)光完全沒法比擬的。以巴西的國蝶藍閃蝶為例，其翅膀的表面鋪滿了透明的樹狀脊結(jié)構(gòu)的鱗片。自然光照射在這些鱗片的每個肋片薄膜上時，都會發(fā)生反射和折射，而這些薄膜的厚度、材質(zhì)、相隔距離等，正好適合藍色光發(fā)生相長干涉，從而產(chǎn)生了明亮絢麗的藍色光，完全蓋過了其他的顏色，也使藍閃蝶名副其實。

不期而遇的人造結(jié)構(gòu)色

結(jié)構(gòu)色不僅存在于神奇的自然界中，在人類生活中，也常有意無意地制造出結(jié)構(gòu)色。比較常見的，例如肥皂泡在陽光下能夠泛出彩虹般的七彩顏色，這就是由于陽光通過肥皂泡薄膜的厚度接近于可見光的波長，前后表面反射的可見光發(fā)生干涉，并且隨著視角和薄膜厚度的變化，干涉波長也同樣變化，從而會產(chǎn)生七彩顏色。而CD光盤在陽光下也有類似的效果。

此外，中國古代鈞窯瓷器藝術(shù)美的一大外觀特征即為藍色的乳光釉，其像青瑪瑙或蛋白石一般美麗的天青色半乳濁狀態(tài)，不僅使鈞釉產(chǎn)生一系列由淺到深的藍色，而且還賦予其一種含蓄的光澤和優(yōu)雅的質(zhì)感。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，這種乳光藍色來自于瓷器釉層的微結(jié)構(gòu)。在鈞瓷的燒制過程中，由于失穩(wěn)分解，釉層中產(chǎn)生了富Si和富Ca兩相無序交錯的聯(lián)通域。這兩種聯(lián)通域具有不同的折射率，光在其中的傳播發(fā)生了相干散射，進而產(chǎn)生了乳光藍色。

萬變色彩的未來世界

目前，人類已經(jīng)將結(jié)構(gòu)色應(yīng)用到了諸多領(lǐng)域，例如一些人造珠寶，其表面有規(guī)律的精細納米結(jié)構(gòu)可以展現(xiàn)出金屬的光澤，并且從不同角度觀察，其展示的色彩也不盡相同。

在前沿科技方面，美國加利福尼亞州大學(xué)的科學(xué)家們還研制出變色龍型人造皮膚，同樣利用結(jié)構(gòu)色的原理，只需要輕輕彎曲即可按要求改變顏色。這種變色材料的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如用作軍裝材料，這種變色龍型人造皮膚可以幫助士兵輕易地根據(jù)周圍環(huán)境偽裝自己；也可以用于制作新型廣告牌，把顏色變換升級為更復(fù)雜精密的圖案變換，替換傳統(tǒng)的滾動廣告等等。

也許未來的某一天，靠結(jié)構(gòu)來變色的材料將遍布世界，那時，我們的世界也將更加色彩萬變。