火鳥(niǎo)毛的微觀(guān)結(jié)構(gòu)及變色機(jī)理的分析

殷熠萍　陳凱麗　許夏昕　楊樹(shù)

摘 要：在生物界中，顏色的形成主要來(lái)源于色素和光子晶體，而由光子晶體產(chǎn)生的顏色稱(chēng)為結(jié)構(gòu)色，是由于生物體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)引起光的干涉、衍射或散射而形成的。本文選取火鳥(niǎo)羽毛作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其使用OM、SEM進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀(guān)測(cè)，找尋其結(jié)構(gòu)特征與色彩間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：火鳥(niǎo)毛；結(jié)構(gòu)色；光子晶體

顏色本身并不真正存在，它是由于人類(lèi)的生理行為再結(jié)合主觀(guān)感受，使得光波的振動(dòng)對(duì)應(yīng)為顏色，是可見(jiàn)光對(duì)視覺(jué)神經(jīng)產(chǎn)生的反映，即一定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光可產(chǎn)生一定的顏色反映。

在自然界中許多生物體都具有五彩斑斕的色彩，從呈色機(jī)理來(lái)看，顏色主要通過(guò)化學(xué)生色和物理生色[1]產(chǎn)生，化學(xué)生色是指通過(guò)色素產(chǎn)生的色彩，但色素分子對(duì)光沒(méi)有方向性的反射和吸收，所以從任何角度看光的顏色都是一樣的。而結(jié)構(gòu)色則可隨入射角的變化而改變，其產(chǎn)生的物理機(jī)制是光與光學(xué)尺度的微觀(guān)結(jié)構(gòu)的相互作用[2]，因此不同的微觀(guān)結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生不同的光學(xué)現(xiàn)象，其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的方式主要有如下幾種。

（1）薄膜干涉。當(dāng)光線(xiàn)入射到單層薄膜時(shí)，薄膜上表面的反射光與薄膜下表面反射后的折射光相干，從而對(duì)特定波長(zhǎng)光的反射加強(qiáng)。當(dāng)薄膜層數(shù)增加時(shí)，相干變得越強(qiáng)，最后導(dǎo)致某一特定波段光的完全反射，從而產(chǎn)生明亮的色彩，如寶石甲蟲(chóng)翅膀上明亮的綠色就是由此產(chǎn)生的，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為薄膜干涉[3]。

（2）光子晶體結(jié)構(gòu)中的光子禁帶。在1987年Yabnolovitch[4]和John[5]提出了光子晶體概念，即擁有光子帶隙的周期性介電結(jié)構(gòu)就稱(chēng)為光子晶體[6]，由于折射率的變化，周期性空間分布也會(huì)隨之改變。而具有該結(jié)構(gòu)的材料通常稱(chēng)為“具有光子帶隙”的材料，當(dāng)帶隙范圍落在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，特定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光會(huì)被反射，從而呈現(xiàn)被反射光的顏色。

紡織行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，也是支撐高新技術(shù)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)。目前市場(chǎng)上彩色面料的顏色大多依靠染料或涂料的染色來(lái)實(shí)現(xiàn)，但存在著弊端，比如色彩一旦確定就不能修改，無(wú)法根據(jù)使用者的要求隨意改變；涂料會(huì)嚴(yán)重影響面料的手感；而染料的化學(xué)作用則更會(huì)影響面料本身的多種優(yōu)良性能；更為嚴(yán)重的是，兩者都會(huì)對(duì)環(huán)境造成難以估量的污染，危及著人畜的生命健康。

鑒于此，通過(guò)研究自然界色彩呈現(xiàn)規(guī)律，并利用仿生學(xué)的手段，將呈色原理引入到面料的色彩實(shí)現(xiàn)中，從而可實(shí)現(xiàn)彩色面料的無(wú)染化[7]，以達(dá)到綠色環(huán)保、滿(mǎn)足消費(fèi)者隨意改變色彩的要求。

1.火鳥(niǎo)毛的微觀(guān)結(jié)構(gòu)光學(xué)顯微鏡分析

1.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)所涉及的試驗(yàn)對(duì)象為火鳥(niǎo)羽毛?；瘌B(niǎo)是現(xiàn)代大型鳥(niǎo)之一，其體型僅次于非洲鴕鳥(niǎo)，體高可達(dá)1.5-2米，成年雌性火鳥(niǎo)比雄性大，現(xiàn)多為人工養(yǎng)殖?；瘌B(niǎo)羽毛如圖1所示。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)采用纖維細(xì)度儀顯微鏡，在50×10放大倍數(shù)倍下對(duì)羽毛表面形態(tài)進(jìn)行初步地觀(guān)察。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)肉眼觀(guān)察火鳥(niǎo)毛的表面形態(tài)，可發(fā)現(xiàn)火鳥(niǎo)毛在不同的毛隙之間，由于光的可透性可看到不同的色彩。利用顯微細(xì)度儀顯微鏡進(jìn)一步觀(guān)察可得如圖2所示結(jié)果，其羽小枝有序地呈線(xiàn)條狀向一個(gè)方向排列，直徑約在400～520μm。

2.火鳥(niǎo)毛微觀(guān)結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析

雖然從普通顯微鏡試驗(yàn)結(jié)果中，可整體上對(duì)羽毛內(nèi)部的空間排列及其顏色有大致的了解。但是，要達(dá)到研究和分析羽毛微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光作用的目的，普通顯微鏡所達(dá)到的放大倍數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這就需要用更微觀(guān)的方法和試驗(yàn)儀器來(lái)精確和微觀(guān)地描述羽毛的微結(jié)構(gòu)。

2.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)采用的樣本為火鳥(niǎo)毛。

2.2實(shí)驗(yàn)儀器

QUANTA-250型掃描電子顯微鏡，進(jìn)行5次不同放大倍數(shù)地測(cè)試。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖3可觀(guān)察到，火鳥(niǎo)毛是由許多根小羽枝構(gòu)成，在每一個(gè)小羽枝上都存在著線(xiàn)條狀的周期性結(jié)構(gòu)，直徑約為 260～310μm，線(xiàn)條長(zhǎng)度在230.2μm左右，同時(shí)可以看出每根小羽枝排布都較雜亂。

3.火鳥(niǎo)羽毛結(jié)構(gòu)參數(shù)與其顏色的關(guān)系分析

羽毛的結(jié)構(gòu)參數(shù)與其顏色的關(guān)系，總結(jié)如表1所示。

4.結(jié)論

由上述實(shí)驗(yàn)觀(guān)察分析可得火鳥(niǎo)毛的羽小枝雜亂地排列著，從而導(dǎo)致在不同的毛隙之間，由于光的可透性而呈現(xiàn)不同的色彩。因此從學(xué)習(xí)并了解自然界中，可發(fā)現(xiàn)許多動(dòng)植物的顏色主要來(lái)源

于光與其表面的相互作用，通過(guò)研究火鳥(niǎo)毛的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與其色彩呈現(xiàn)之間的規(guī)律，利用仿生學(xué)手段，可將結(jié)構(gòu)色的呈色原理引入到彩色面料的色彩實(shí)現(xiàn)中，從而實(shí)現(xiàn)彩色面料的無(wú)染化。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張驁，袁偉，周寧，張克勤. 結(jié)構(gòu)生色及其染整應(yīng)用（三）[J]. 印染，2012，（15）.

[2]Parker A. R.， Welch V. L.， Driver D.， Martini N.， Structural colour： Opal analogue discovered in a weevil [J]， Nature， 2003， 426， 786.

[3]Yablonovitch E.， Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics [J]， Phys. Rev. Lett.， 1987， 58， 2059.

[7]韓志武，鄔立巖，邱兆美，任露泉. 紫斑環(huán)蝶鱗片的微結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)色[J]. 科學(xué)通報(bào)，2008，（22）.

本研究受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金資助（No. 51403078）， 國(guó)家留學(xué)基金委資助（No.201508330017），浙江省教育廳資助（No.Y201226223）和嘉興學(xué)院重點(diǎn)SRT項(xiàng)目資助（No.851715079）。

（作者單位：嘉興學(xué)院南湖學(xué)院化紡系，浙江 嘉興 314000）