神奇的结构色——大蓝闪蝶、孔雀、蜂鸟…

 

说起结构色小伙伴们可能有点懵圈,啥是结构色?我们先来看几个例子:

 

大蓝闪蝶,南美热带雨林中那一抹最闪耀的蓝色~

 

大蓝闪蝶

大蓝闪蝶(图片来源:网络)

还有美丽的孔雀

孔雀

孔雀(图片来源:网络)

可爱的蜂鸟

蜂鸟

蜂鸟(图片来源:网络)

 

是不是很漂亮?这绚丽的蓝色是如何形成的呢?这就要说颜色的形成了,生物身体的颜色,有些是依靠色素呈现的,它们属于化学色,也叫做色素色,比如猫的毛,黑色的部分来源于真黑色素(Eumelanin),黄色的部分来源于嗜铬黑色素(Phaeomelanin),还有植物的绿色叶子等等。但大自然还有另一种策略,简单来说就是“用光涂色”,通过表面精细的纳米结构使色光发生干涉和衍射,只保留特定波长的色光。这样的颜色被称为“结构色”(structural color),又名“彩虹色”( iridescence color)。 所谓结构色,是和色素色相对的概念。从直观视觉上来说,结构色看起来闪着金属光泽,有点像时尚配色里的镭射色。而且在不同的角度观察时,会呈现出不同的色彩。 现在让我们把蓝色大闪蝶的翅膀放在显微镜下。

 

放大后的闪蝶翅膀

放大后的闪蝶翅膀(图片来源:网络)

 

你首先会看到堆积在一起的鳞片。假如你徒手抓过蝴蝶,一定会在手指上留下一些粉末状的东西。那就是蝴蝶翅膀上的鳞片。显微镜下的鳞片排列地错落有致。继续放大,你会发现鳞片并不是一个简单的薄片,它从侧面看就像是“圣诞树”,有好几层分叉。其实,每层分叉都是一层角质层,厚度在几十至几百纳米,这些角质层本身都是透明的,相邻的角质层之前隔着空气层。一层角质层一层空气层,交替排列。角质层产生的效应和肥皂泡类似。透明的肥皂泡在阳光下会呈现彩虹般的炫彩。这是因为肥皂泡表面的薄膜会发生薄膜干涉。阳光照向透明的薄膜时,一部分光直接在外表面被反射,我们叫它先头部队。还有一部分先折射进入薄膜,在内表面被反射,再折射出薄膜,我们叫它断后部队。射出薄膜后,先头部队和断后部队的两束光相遇,会发生干涉。此时,如果两束光走过的路程差是其波长的整数倍,光波就会叠加,信号会增强,这叫相长(长大的长)干涉。

 

我们都知道,不同色光对应着不同的波长。所以经过了薄膜干涉,某种特定波长的色光将会变得明显,像个筛子一样筛出了特定的色光。具体什么颜色,取决于薄膜的厚度和光线的入射角度。薄膜较厚或者入射光线比较垂直时,泡泡偏蓝色;如果薄膜较薄或者光线斜射进入,泡泡呈暖暖的黄色。吹过泡泡的童鞋可以回忆下,泡泡很薄,快破的时候是不是会泛出黄色?

 

继续说翅膀的鳞片。肥皂泡虽有颜色,但并不强烈。可如果把好几个泡泡摞在一起呢?鳞片的“圣诞树”上,每一层角质层都相当于一个肥皂泡薄膜,当它们垛叠在一起时,薄膜干涉效果就会显著增强,假如每一层经过干涉都产生了淡淡的蓝色,那么经过6~10层的累积,蓝光连续加剧,其余色光连续减弱,最终就呈现出惊艳亮眼的炫彩蓝色啦!当光从不同角度入射时,薄膜干涉的情况会发生变化,这也就解释了为什么从不同角度看,翅膀的颜色会有差异。鸟类的蓝色羽毛,也是类似的原理。至于这些鳞片本身,有些是透明的,有些则含有棕色色素。棕色能辅助吸收一些干扰色,使最终的蓝色更鲜明。 神奇吧?用光就能涂颜色。

 

而且,结构色最大的优势就是:不会随时间衰减,色素分子会随着时间流逝而氧化褪色,但结构色的“颜料”就是光,只要结构不变,有光的地方总会有绚丽的颜色。所以大闪蝶的标本总是能保持光鲜,永不褪色。 不过也有例外,只要结构发生一些变化,就可能看到一些奇怪的现象。 比如,你可以试着向大闪蝶的翅膀上喷点酒精,原本是蓝色的翅膀瞬间就绿了。这不是什么神奇的化学反应,只是因为酒精填充到了角质层之间的空气中,由于酒精和空气对光的折射率不同,导致经过干涉后产生了绿色光而非蓝色光。当酒精蒸发,绿色也就消失了。

 

除了惊艳亮眼的蓝色,还有一种结构色也很出名,那就是华丽的玉虫色。啥叫玉虫色呢?先说一件文物:在奈良的法隆寺中,保存着一件日本国宝级的文物——玉虫厨子,大约制造于公元7世纪。“玉虫”是桃金吉丁虫Chrysochroa fulgidissima的日语名字,而“厨子”,的意思是佛龛,也就是存放佛像、供人礼拜的柜子。

 

桃金吉丁虫

桃金吉丁虫 (图片来源:网络)

 

桃金吉丁虫是鞘翅目吉丁虫科的昆虫,它们的幼虫时代大多在树木茎干中度过,啃食木材。在经历了两年左右的幼虫和蛹期后,桃金吉丁虫就会羽化成成虫,从肉虫子模样,摇身一变成了身披虹彩外衣的甲虫。它们羽化的时间一般是夏季,所以在日本俳句中,玉虫算是夏季的季节语。桃金吉丁虫成虫的颜色,在日语中叫做玉虫色,非要用文字描述的话,只能说是“具有红、紫光泽的金属绿色”,但实际上如果只看这句话,很难想像出玉虫色的原貌,非得看图不可,因为它从不同的角度,能看到不同的彩色反光。日本从平安时代开始,就出现了玉虫色这个称呼。吉丁虫鞘翅不光漂亮,而且非常稳定,再加上它本身还算坚硬,所以能拿来制作首饰和工艺品,用法有点类似螺钿,玉虫厨子使用了大约2500片吉丁虫鞘翅。

 

结构色不仅神奇,还有实际的用途。从仿生学的角度,结构色算是目前很热门的一项技术。想想手机的炫彩背板,就是靠结构色的微纳结构做出来的。是不是大开眼界呢?我们以后继续给大家分享一些神奇有趣的知识。

 

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