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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

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发表于 2020-11-15 12:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
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)

                               
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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。




                               
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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。

                               
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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。


                               
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(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



                               
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(图源:flickr)

炫彩孔雀

                               
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(图源:flickr

蓝色蜂鸟


                               
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(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。


                               
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“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。



                               
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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



                               
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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。



                               
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(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。



                               
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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。

                               
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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。



                               
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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。

                               
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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。


                               
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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》。


                               
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(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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