别再迷恋iPhone塑料蓝，这个用光涂色的翅膀，才是真正的高级蓝
万物 环球科学 2 days ago
撰文 | 比邻星来源 | 把科学带回家（ID: steamforkids）
此花名为蓝色妖姬，据说十分珍贵。 不过，世间本没有蓝色妖姬，染得色多了也便成了蓝色。蓝色妖姬是一种人工制造的玫瑰品种，通过白玫瑰的转基因外加染色处理，在花瓣中表达了一种叫花翠素的色素（紫罗兰里就有花翠素，所以呈现紫色）。说它罕见倒没错，毕竟人造也很麻烦。
转入紫罗兰的色素基因的玫瑰（图源：wiki）
纵观整个植物界，蓝色的花的确是稀有物种，它们所占的比重不到10%，而且有很多都不是呈现纯蓝色，而是花青素在碱性条件下发出的蓝紫色。而另一个事实是，据一项研究统计，全世界最受人民喜爱的颜色是蓝色—— 蓝色这么好看，为什么不长在花上？ 花花当然不会按照人类的喜好来开，它们的一切都是为了生存。要想解答为什么蓝色的花少见，首先要解答一个初中生物课的经典问题：叶子为什么是绿色的？
因为叶绿素。
植物细胞中的叶绿体富含叶绿素（图源：wiki）
这是个标准答案，可为什么偏偏是叶绿素，而不是叶蓝素呢？叶绿素可以帮助叶片吸收阳光，特别是红橙光和蓝紫光，它们不喜欢绿光，所以绿色光被反射出去，叶片因此呈现出绿色。关键就在这里，叶绿素喜欢吸收蓝色光，是因为蓝色光含有的能量更高。对于植物来说，吸收更高能的光线可以提高能量的吸收效率，它们没有理由放弃这样的光。
（图源：wiki）
如此经济实惠的蓝色光，被植物毫不犹豫的吸收，蓝光反射不出来，自然进入不了人的眼睛，这就是蓝色的植物很少见的原因。 不过动物界并不是这样的光景。比如 大蓝闪蝶
（图源：flickr）
炫彩孔雀
（图源：flickr）
蓝色蜂鸟
（图源：flickr）
不对劲。通常来说，动物身体里的色素很多是依靠吃进去的食物来获取的。比如火烈鸟喜欢吃虾，所以它们的身体粉粉的，假如摄入的食物里类胡萝卜素不足，它们看起来就没那么“火烈”了，会呈现黯淡一些的灰色或白色。
“我要吃虾，我都不粉了。”（图源：flickr）
世界上蓝色的植物这么少，这些动物到底是从哪里偷来的蓝色呢？
是光。我们刚才提到的所有颜色，都是依靠色素呈现的，它们属于化学色。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）。 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。
放大后的蝴蝶翅膀（图源：KQED Science）
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。
闪蝶翅膀在电子显微镜下的样子（图源：wiki）
你可以把它想象成Lady M的千层蛋糕。一层奶油一层班戟薄饼，交替排列。
（图源：Lady M）
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。
从薄膜先后射出两束反射光线。（图源：wiki）
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。
光波叠加，信号增强，这就是相长干涉。(图源：wiki)
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。
泡泡不同位置的厚薄不同，经过薄膜干涉产生的颜色也不同。（图源：wiki）
我们再说回翅膀的鳞片。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，当它们垛堞在一起时，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，最终就能呈现出惊艳亮眼的炫彩蓝色了。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。
多层薄膜干涉放大了蓝色光。
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：不会有年老色衰的那一天。
色素分子会随着时间流逝而氧化褪色，为古画和旧照片蒙上一层岁月特有滤镜。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bug，只要结构发生一些变化，就可能看到一些奇奇怪怪的现象。 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。
酒精蒸发，绿色也就消失了。
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。还有人直接在很小的一块玻璃上码了些微纳结构，投射复现了名画《戴珍珠耳环的少女》。
（图源：Photorealistic full-colornanopainting enabled by a low-loss metasurface.）
参考资料:1. Photophysics of StructuralColor in the Morpho Butterflies. Shuichi KINOSHITA Shinya YOSHIOKA et. al Physics 20022. 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
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发表于 2020-11-14 21:46
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