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

　　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