淡水有核珍珠暈彩效應(yīng)成因分析

李維

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）珠寶學(xué)院，北京 100083

顏色的產(chǎn)生需要三個(gè)要素：可見(jiàn)光、觀(guān)察對(duì)象和人。光照射到物體表面再反射到人眼，人體的視覺(jué)系統(tǒng)產(chǎn)生所看到的顏色。根據(jù)有色物體對(duì)光吸收與否，可以把顏色分為色素色與結(jié)構(gòu)色：色素色是物體中含有的致色元素吸收光而呈色；結(jié)構(gòu)色是物體結(jié)構(gòu)與光相互作用的產(chǎn)物[1]，當(dāng)光線(xiàn)照射到表面或內(nèi)部具有周期性結(jié)構(gòu)的物體上時(shí)就能形成結(jié)構(gòu)色，其最大的特征是色彩隨著觀(guān)察角度變化。寶石學(xué)中的假色就是結(jié)構(gòu)色，如歐泊的變彩、月光石的月光效應(yīng)和拉長(zhǎng)石、珍珠的暈彩效應(yīng)。珍珠的顏色是體色、伴色和暈彩的綜合結(jié)果，后兩者合稱(chēng)為暈彩效應(yīng)。伴色是漂浮在珍珠表面的一種或幾種顏色，暈彩是漂浮在珍珠表面的彩虹色[2]。兩者都是結(jié)構(gòu)色，區(qū)別在于：伴色是大面積的、明顯的，以一種或幾種顏色為主，覆蓋在珍珠表面，有時(shí)甚至能蓋過(guò)體色；而暈彩更不明顯一些，顏色呈彩虹色。

在前人對(duì)寶石結(jié)構(gòu)色的相關(guān)研究中，彭菊艷認(rèn)為珍珠暈彩效應(yīng)由衍射引起[3]；唐利妹對(duì)鮑魚(yú)殼暈彩效應(yīng)進(jìn)行研究，認(rèn)為鮑魚(yú)殼珍珠層的結(jié)構(gòu)色是由一維光子晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，并利用甲蟲(chóng)的晶體模型驗(yàn)證[4]；李立平則認(rèn)為鮑魚(yú)殼的珍珠層構(gòu)成層狀衍射光柵導(dǎo)致其暈彩[5]；紀(jì)麗麗認(rèn)為馬氏貝珍珠層是一種一維光子晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)引起了馬氏貝的暈彩效應(yīng)[6]；李青梅也認(rèn)為紫貽貝和圓形淡水養(yǎng)殖珍珠的珍珠質(zhì)是一種一維光子晶體結(jié)構(gòu)[7]；李勃認(rèn)為鮑魚(yú)殼珍珠質(zhì)是一種一維光子晶體并進(jìn)一步研究了其帶隙結(jié)構(gòu)[8]。HainschwangT.and NotariF.在對(duì)日本奈良石榴石的暈彩效應(yīng)的研究中，認(rèn)為石榴石的暈彩效應(yīng)主要由內(nèi)部出溶層的干涉引起，另外石榴石表面的周期性槽狀結(jié)構(gòu)也引起衍射而成為暈彩效應(yīng)的一部分[9]。在前人文獻(xiàn)中，很少有直接針對(duì)珍珠暈彩效應(yīng)的研究，一方面是因?yàn)榫哂袕?qiáng)烈暈彩效應(yīng)的珍珠可能價(jià)格高昂，比如大溪地珍珠；另一方面，圓形珍珠光學(xué)效應(yīng)立體存在，非常復(fù)雜，研究難度大。近年來(lái)淡水有核巴洛克珍珠出現(xiàn)在市場(chǎng)上，物美價(jià)廉、具有強(qiáng)烈的暈彩效應(yīng)，且暈彩分布在較扁平的表面，更易研究。本文對(duì)其暈彩效應(yīng)成因進(jìn)行研究和分析，補(bǔ)充對(duì)寶石學(xué)結(jié)構(gòu)色的研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本次全部實(shí)驗(yàn)樣品購(gòu)自北京紅橋珍珠市場(chǎng)，商家表明樣品全部來(lái)自浙江諸暨，品類(lèi)為淡水有核巴洛克珍珠。市面上有相當(dāng)多這類(lèi)產(chǎn)品，個(gè)頭普遍較大，外形根據(jù)內(nèi)部核的形狀而改變。本次實(shí)驗(yàn)選取大小適中、形狀較為扁平、珍珠光澤較強(qiáng)且暈彩強(qiáng)烈的樣品10 枚，分別編號(hào)為YC1-10。圖1 展示了部分樣品。

圖1 部分樣品Fig.1 Some samples

實(shí)驗(yàn)測(cè)試：常規(guī)寶石學(xué)測(cè)試于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）珠寶學(xué)院寶石實(shí)驗(yàn)室完成；掃描電鏡（SEM)測(cè)試于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室完成，儀器型號(hào)為ZEISS SUPRA 55 型掃描儀，實(shí)驗(yàn)條件：加速電壓10kV、室溫18℃、濕度70%，測(cè)試樣品為YC-1、YC-8 和YC-9的表面和橫截面碎片，實(shí)驗(yàn)前對(duì)其烘干并噴射鉑金；反射光譜測(cè)試于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）珠寶學(xué)院實(shí)驗(yàn)室完成，利用Gem3000 光纖光譜儀測(cè)定樣品YC2-YC10 表面的反射光譜，再利用光學(xué)軟件OpenFilters 模擬反射光譜。

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 基礎(chǔ)寶石學(xué)測(cè)試

在中性背景、5000～5500K 色溫下對(duì)樣品暈彩效應(yīng)進(jìn)行肉眼觀(guān)察。如圖2 所示，具有深青色伴色的樣品YC-7比具有紫粉色伴色的樣品YC-5 光澤更強(qiáng)，說(shuō)明暈彩效應(yīng)對(duì)珍珠的美麗有重要影響。

圖2 YC-5 和YC-7 暈彩效應(yīng)對(duì)樣品光澤的影響Fig.2 Influence of YC-5&YC-7's iridescences on luster

在光學(xué)顯微鏡下可以觀(guān)察到，珍珠表面具有細(xì)膩的等高線(xiàn)狀紋理。圖3-a 中可以看出平坦表面處的暈彩效應(yīng)相對(duì)單一，表面起伏處的暈彩效應(yīng)明顯且豐富。圖3-b展示了樣品破碎的斷面，可以發(fā)現(xiàn)不僅是表面具有暈彩效應(yīng)，在暴露的珍珠層上都可以觀(guān)察到同樣鮮艷的暈彩效應(yīng)。圖3-c 為破碎后的珍珠內(nèi)核，扁圓片狀，因此表面起伏變化的原因只能是珍珠層厚度，初步判斷暈彩效應(yīng)與珍珠層厚度有關(guān)。

圖3 標(biāo)本顯微鏡下及基本觀(guān)察照片F(xiàn)ig.3 Microscope and basic observation photos of samples

2.2 結(jié)構(gòu)特征分析

2.2.1 光學(xué)顯微鏡下薄片觀(guān)察

圖4-a 中展示了有核珍珠的核與珍珠質(zhì)的區(qū)別：珍珠核與珍珠質(zhì)由一圈暗色物質(zhì)隔開(kāi)，該物質(zhì)在正交偏光下呈黑色判斷其為均質(zhì)體，結(jié)合資料[10]認(rèn)為該物質(zhì)應(yīng)該為有機(jī)物。從圖4-b 中可以觀(guān)察到珍珠質(zhì)具有明顯的圈層結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)細(xì)膩平滑，說(shuō)明珍珠具有良好的層狀周期結(jié)構(gòu)。在珍珠質(zhì)部分也有暗色線(xiàn)條，間隔大致相等且與珍珠層線(xiàn)條平行，是由生長(zhǎng)周期中文石晶體與蛋白質(zhì)交替生長(zhǎng)形成的[10]。

圖4 標(biāo)本YC-1 光學(xué)薄片觀(guān)察照片F(xiàn)ig.4 Photoes under optical microscope of YC-1

2.2.2 SEM 結(jié)果與分析

對(duì)YC-1、YC-8 和YC-9 的表面碎片和橫截面進(jìn)行SEM 觀(guān)察，從圖5-a 可以觀(guān)察到表面結(jié)構(gòu)比較疏松而且不規(guī)則，層間寬度在30～40μm，平行度較差，邊緣粗糙而模糊。圖5-b 可以觀(guān)察到階梯狀紋理細(xì)膩，平行度更高，邊緣清晰明亮，平均層間寬度為10～20μm。

圖5 標(biāo)本的表面SEM 結(jié)果Fig.5 SEM results of samples' surfaces

觀(guān)察珍珠橫截面SEM 結(jié)果（圖6），結(jié)合前人研究[11]可知，珍珠質(zhì)是由大量文石板片交錯(cuò)疊成，厚度均勻，文石片層垂直生長(zhǎng)方向分布。實(shí)際上在文石片層之間只有一層較薄的蛋白質(zhì)層，因放大倍數(shù)有限觀(guān)測(cè)不到，結(jié)合前人資料[6]可知珍珠層是由板片狀文石層和蛋白質(zhì)層呈周期性堆疊而成的。用PS 標(biāo)尺對(duì)珍珠層厚度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方向與生長(zhǎng)方向一致，如圖6-c 箭頭所指方向。每10 個(gè)珍珠層為一組，根據(jù)圖片實(shí)際情況測(cè)量3～6 組，最后取平均值計(jì)算出文石板片層厚度，結(jié)果如表1 所示。發(fā)現(xiàn)每顆珍珠本身的文石板層厚度均勻，但不同珍珠間差異較大。

圖6 YC-1、YC-8 和YC-9（從左至右）珍珠橫截面SEM 結(jié)果珍珠質(zhì)由文石板層疊成且文石板層厚度均勻Fig.6 YC-1, YC-8 and YC-9 (from left to right) SEM results of their nacre cross section,The nacre is composed of aragonite layers with uniform thickness

表1 珍珠文石板片層的厚度Table 1 The thickness of aragonite sheet

2.3 反射光譜及相關(guān)模擬

圖7 分別為YC-8 和YC-9 的表面反射光譜，可以看出YC-8 在紫區(qū)（400～450nm）和黃綠區(qū)（510～580nm)有兩個(gè)反射峰，這與肉眼觀(guān)察到的顏色波長(zhǎng)范圍相一致，即珍珠表面呈粉紫色、黃色、青綠色的組合色彩。YC-9 在紫區(qū)有反射峰，符合肉眼觀(guān)察的粉紫色。

圖7 標(biāo)本YC-8 和YC-9 反射光譜Fig.7 Reflectance spectra of samples YC-8 and YC-9

利用開(kāi)源多層膜計(jì)算軟件OpenFilter 對(duì)珍珠反射光譜進(jìn)行模擬，文石板層的厚度設(shè)置與實(shí)際測(cè)試結(jié)果一致，蛋白質(zhì)厚度設(shè)置為30nm，模擬層數(shù)為20 層[12]。圖8 中發(fā)現(xiàn)模擬珍珠層有多級(jí)反射光譜，并且隨著模擬厚度變小反射峰出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象。實(shí)際樣品的反射光譜也呈多級(jí)反射：一級(jí)反射往往在近紅外區(qū)，不在測(cè)試范圍；三級(jí)反射在實(shí)際中能量損失較大；所以從二級(jí)反射峰對(duì)應(yīng)情況來(lái)看，與實(shí)際反射光譜能有較高的吻合度，并且實(shí)際反射光譜也出現(xiàn)隨著厚度減小出現(xiàn)反射峰藍(lán)移現(xiàn)象，這也更符合實(shí)際觀(guān)察情況，YC-1 呈現(xiàn)淺黃色伴色，而YC-8 和YC-9 均呈現(xiàn)明顯的青色、紫粉色伴色，這符合模擬珍珠質(zhì)二級(jí)反射峰的分布情況。由于軟件模擬的條件是一維光子晶體，反射峰的出現(xiàn)是由于光子帶隙的存在[13]，這說(shuō)明珍珠質(zhì)確實(shí)符合一維光子晶體模型。

圖8 模擬反射光譜Fig.8 Simulated reflectance spectra

3 討論

珍珠的暈彩效應(yīng)由伴色和暈彩組成，珍珠的暈彩比伴色更難觀(guān)察，當(dāng)把珍珠傾斜對(duì)著光源時(shí)，可以觀(guān)察到不同于伴色的另一種結(jié)構(gòu)色，即漂浮在伴色上方有一層變化豐富的結(jié)構(gòu)色，這種不好觀(guān)察的結(jié)構(gòu)色就是珍珠的暈彩，明顯不同于伴色。尤其是如圖9 所示，SEM 實(shí)驗(yàn)中樣品表面被噴涂鉑金，掩蓋住了珍珠原本的青色、紫粉色伴色，而此時(shí)漂浮在表面的這些彩虹色就是珍珠的暈彩，充分證明珍珠的暈彩和伴色不同，因此本次實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為伴色和暈彩是由不同光學(xué)機(jī)制引起的。

圖9 噴鉑金后珍珠表面暈彩Fig.9 Iridescence on pearl surface after spraying platinum

3.1 伴色呈色機(jī)理

根據(jù)反射光譜和相關(guān)模擬可知珍珠質(zhì)是一種一維光子晶體，由文石板層和蛋白質(zhì)層交替組成[10]，這種結(jié)構(gòu)將引起光子禁帶，光不能穿過(guò)而只能被反射，形成多層膜干涉[13]，引起珍珠的伴色。根據(jù)SEM 及文石板層厚度計(jì)算結(jié)果，伴色與文石板層厚度相關(guān)，YC-1 呈弱淺黃色伴色，YC-8、9 呈強(qiáng)青色、粉紫色伴色，在一定范圍內(nèi)，隨著文石板層厚度變小會(huì)引起反射峰的藍(lán)移，表現(xiàn)為伴色由黃色到藍(lán)紫色的轉(zhuǎn)變。

3.2 暈彩呈色機(jī)理

具有周期性結(jié)構(gòu)的物體可以像平面衍射光柵一樣對(duì)光進(jìn)行色散從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，這種周期性結(jié)構(gòu)只要每毫米具有50 至100 光柵，即具有間距為10～20μm 的光柵結(jié)構(gòu)，就能引起光的色散，形成的顏色并非典型的彩虹色，而是多種顏色混合的復(fù)雜顏色[9]。SEM 結(jié)果顯示珍珠表面的階梯狀結(jié)構(gòu)在10～40μm 之間，符合平面衍射條件。樣品表面的SEM 結(jié)果顯示珍珠表面質(zhì)量較好的時(shí)候，表面階梯狀構(gòu)造更規(guī)則、更細(xì)膩均勻，平行度更高，在10～20μm范圍內(nèi)引起更高質(zhì)量的暈彩。

4 結(jié)論

（1）珍珠的暈彩效應(yīng)由伴色和暈彩組成，這兩種結(jié)構(gòu)色分別由不同的機(jī)制引起。

（2）伴色由一維光子晶體結(jié)構(gòu)引起，呈現(xiàn)為珍珠表面的大片結(jié)構(gòu)色。伴色受到文石層厚度的影響，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，一定范圍內(nèi)隨著文石層厚度減小，伴色呈現(xiàn)出更鮮艷的青色、粉紫色，而不是文石層厚度較大時(shí)的黃色，這與文石層厚度減小時(shí)發(fā)生的二級(jí)反射峰藍(lán)移有關(guān)。

（3）暈彩由表面衍射光柵引起，呈現(xiàn)為從某些角度觀(guān)察漂浮在珍珠表面的結(jié)構(gòu)色。暈彩受到表面階梯狀紋理的影響，當(dāng)珍珠表面具有細(xì)膩、規(guī)則且平行度較好的階梯狀紋理時(shí)，將觀(guān)察到顏色組成豐富的結(jié)構(gòu)色。

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