別再迷戀iPhone塑料藍,這個用光塗色的翅膀,才是真正的高級藍_風聞
把科学带回家-把科学带回家官方账号-专注于孩子的科普教育2020-11-10 09:07
撰文 比鄰星

此花名為藍色妖姬,據説十分珍貴。
不過,世間本沒有藍色妖姬,染得色多了也便成了藍色。藍色妖姬是一種人工製造的玫瑰品種,通過白玫瑰的轉基因外加染色處理,在花瓣中表達了一種叫花翠素的色素(紫羅蘭裏就有花翠素,所以呈現紫色)。説它罕見倒沒錯,畢竟人造也很麻煩。

轉入紫羅蘭的色素基因的玫瑰
(圖源:wiki)
縱觀整個植物界,藍色的花的確是稀有物種,它們所佔的比重不到10%,而且有很多都不是呈現純藍色,而是花青素在鹼性條件下發出的藍紫色。而另一個事實是,據一項研究統計,全世界最受人民喜愛的顏色是藍色——
藍色這麼好看,為什麼不長在花上?
花花當然不會按照人類的喜好來開,它們的一切都是為了生存。要想解答為什麼藍色的花少見,首先要解答一個初中生物課的經典問題:葉子為什麼是綠色的?
因為葉綠素。

植物細胞中的葉綠體富含葉綠素
(圖源:wiki)
這是個標準答案,可為什麼偏偏是葉綠素,而不是葉藍素呢?葉綠素可以幫助葉片吸收陽光,特別是紅橙光和藍紫光,它們不喜歡綠光,所以綠色光被反射出去,葉片因此呈現出綠色。關鍵就在這裏,**葉綠素喜歡吸收藍色光,是因為藍色光含有的能量更高。**對於植物來説,吸收更高能的光線可以提高能量的吸收效率,它們沒有理由放棄這樣的光。
(圖源:wiki)
如此經濟實惠的藍色光,被植物毫不猶豫的吸收,藍光反射不出來,自然進入不了人的眼睛,這就是藍色的植物很少見的原因。
不過動物界並不是這樣的光景。比如
大藍閃蝶

(圖源:flicker)
炫彩孔雀

(圖源:flicker)
藍色蜂鳥

(圖源:flicker)
不對勁。通常來説,**動物身體裏的色素很多是依靠吃進去的食物來獲取的。**比如火烈鳥喜歡吃蝦,所以它們的身體粉粉的,假如攝入的食物裏類胡蘿蔔素不足,它們看起來就沒那麼“火烈”了,會呈現黯淡一些的灰色或白色。

“我要吃蝦,我都不粉了。”
(圖源:flicker)
世界上藍色的植物這麼少,這些動物到底是從哪裏偷來的藍色呢?
是光。我們剛才提到的所有顏色,都是依靠色素呈現的,它們屬於化學色。但大自然還有另一種策略,簡單來説就是**“用光塗色”**,通過表面精細的納米結構使色光發生干涉和衍射,只保留特定波長的色光。這樣的顏色被稱為“結構色”(structural color),又名“彩虹色”( iridescence color)。
從直觀視覺上來説,結構色看起來閃着金屬光澤,有點像時尚配色裏的鐳射色。而且在不同的角度觀察時,會呈現出不同的色彩。
現在讓我們把藍色大閃蝶的翅膀放在顯微鏡下。

放大後的蝴蝶翅膀
(圖源:KQED Science)
你首先會看到堆積在一起的鱗片。假如你徒手抓過蝴蝶,一定會在手指上留下一些粉末狀的東西。那就是蝴蝶翅膀上的鱗片。顯微鏡下的鱗片排列地錯落有致。
繼續放大,你會發現鱗片並不是一個簡單的薄片,它從側面看就像是“聖誕樹”,有好幾層分叉。其實,每層分叉都是一層角質層,厚度在幾十至幾百納米,這些角質層本身都是透明的,相鄰的角質層之前隔着空氣層。

閃蝶翅膀在電子顯微鏡下的樣子
(圖源:wiki)
你可以把它想象成Lady M的千層蛋糕。一層奶油一層班戟薄餅,交替排列。
(圖源:Lady M)
角質層產生的效應和肥皂泡類似。透明的肥皂泡在陽光下會呈現彩虹般的炫彩。這是因為肥皂泡表面的薄膜會發生薄膜干涉。陽光照向透明的薄膜時,一部分光直接在外表面被反射,我們叫它先頭部隊。還有一部分先折射進入薄膜,在內表面被反射,再折射出薄膜,我們叫它斷後部隊。射出薄膜後,先頭部隊和斷後部隊的兩束光相遇,會發生干涉。
從薄膜先後射出兩束反射光線。
(圖源:wiki)
此時,如果兩束光走過的路程差是其波長的整數倍,光波就會疊加,信號會增強,這叫相長(長大的長)干涉。
光波疊加,信號增強,這就是相長干涉。
(圖源:wiki)
我們都知道,不同色光對應着不同的波長。所以經過了薄膜干涉,某種特定波長的色光將會變得明顯,像個篩子一樣篩出了特定的色光。具體什麼顏色,取決於薄膜的厚度和光線的入射角度。薄膜較厚或者入射光線比較垂直時,泡泡偏藍色;如果薄膜較薄或者光線斜射進入,泡泡呈暖暖的黃色。

泡泡不同位置的厚薄不同,經過薄膜干涉產生的顏色也不同。(圖源:wiki)
我們再説回翅膀的鱗片。肥皂泡雖有顏色,但並不強烈。可如果把好幾個泡泡摞在一起呢?鱗片的“聖誕樹”上,每一層角質層都相當於一個肥皂泡薄膜,當它們垛堞在一起時,薄膜干涉效果就會顯著增強,假如每一層經過干涉都產生了淡淡的藍色,那麼經過6~10層的累積,藍光連續加劇,其餘色光連續減弱,最終就能呈現出驚豔亮眼的炫彩藍色了。當光從不同角度入射時,薄膜干涉的情況會發生變化,這也就解釋了為什麼從不同角度看,翅膀的顏色會有差異。鳥類的藍色羽毛,也是類似的原理。
多層薄膜干涉放大了藍色光。
至於這些鱗片本身,有些是透明的,有些則含有棕色色素。棕色能輔助吸收一些干擾色,使最終的藍色更鮮明。
神奇吧,用光就能塗顏色。而且,結構色最大的優勢就是:不會有年老色衰的那一天。
色素分子會隨着時間流逝而氧化褪色,為古畫和舊照片蒙上一層歲月特有濾鏡。但結構色的“顏料”就是光,只要結構不變,有光的地方總會有絢麗的顏色。所以大閃蝶的標本總是能保持光鮮,永不褪色。
不過也有bug,只要結構發生一些變化,就可能看到一些奇奇怪怪的現象。
比如,你可以試着向大閃蝶的翅膀上噴點酒精,原本是藍色的翅膀瞬間就綠了。這不是什麼神奇的化學反應,只是因為酒精填充到了角質層之間的空氣中,由於酒精和空氣對光的折射率不同,導致經過干涉後產生了綠色光而非藍色光。
酒精蒸發,綠色也就消失了。
從仿生學的角度,結構色算是目前很熱門的一項技術。想想手機的炫彩背板,就是靠結構色的微納結構做出來的。還有人直接在很小的一塊玻璃上碼了些微納結構,投射覆現了名畫《戴珍珠耳環的少女》。
(圖源:Photorealistic full-colornanopainting enabled by a low-loss metasurface.)
參考資料:
1. Photophysics of StructuralColor in the Morpho Butterflies. Shuichi KINOSHITA Shinya YOSHIOKA et. al Physics 2002
2. Mechanisms of structural colourin the Morpho butterfly: cooperation of regularity and irregularity in aniridescent scale. Shuichi Kinoshita, Shinya Yoshioka et. al Proc Biol Sci. 2002 Jul 22;269(1499): 1417–1421.
3. Photorealistic full-colornanopainting enabled by a low-loss metasurface. Pengcheng Huo, Maowen Song et. al optica Vol. 7, No. 9 September 2020