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(xì)胞中的色素在各層之間交融變換，來實(shí)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(shí)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?zé)o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(lán)、靛、紫，其中，紅色光的波長最長，而紫色光的波長較短。當(dāng)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(lán)紫色光，則其皮膚顯現(xiàn)為藍(lán)紫色；而當(dāng)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(shí)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(xì)的毛細(xì)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(lán)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(lán)色光發(fā)生相長干涉，從而產(chǎn)生了明亮絢麗的藍(lán)色光，完全蓋過了其他的顏色，也使藍(lán)閃蝶名副其實(shí)。

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(lán)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(lán)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(lán)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(jìn)而產(chǎn)生了乳光藍(lán)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(xì)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。