審核專(zhuān)家：羅會(huì)仟

中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員

自然界充滿了繽紛的色彩，無(wú)論是蔥蔥綠樹(shù)、簇簇紅花還是穿梭其中的鳥(niǎo)兒和蝴蝶，都為我們的世界增添了很多美感。它們的色彩，有的清新，有的艷麗，有的活潑，有的炫目，那么這些美麗的顏色是怎么顯現(xiàn)出來(lái)的呢？

色彩的來(lái)源

一般來(lái)說(shuō)，自然界的顏色有三個(gè)來(lái)源：生物發(fā)光、化學(xué)色和結(jié)構(gòu)色。生物發(fā)光是指在有氧條件下，一些生物通過(guò)催化劑的作用將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能并釋放出來(lái)，螢火蟲(chóng)、水母等生物發(fā)光都屬于這種情況。

化學(xué)色顯色依靠色素，在大自然中，我們看到的大部分顏色都是化學(xué)色，化學(xué)色會(huì)因?yàn)樯氐牧魇Щ蚋淖兌噬蜃兩＠纾?strong>火烈鳥(niǎo)的顏色來(lái)源于它的食物濾食藻類(lèi)和浮游生物，它們含有類(lèi)胡蘿卜素，火烈鳥(niǎo)食用以后，類(lèi)胡蘿卜素的累積就使其羽毛顯現(xiàn)出了朱紅色。一旦火烈鳥(niǎo)停止食用這類(lèi)食物，它的顏色就會(huì)慢慢變回為灰色或白色。

結(jié)構(gòu)色顯色依靠生物的表面結(jié)構(gòu)，當(dāng)觀察角度發(fā)生改變或是表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化時(shí)，我們看到的顏色就會(huì)有些許不同。例如，蝴蝶和鳥(niǎo)兒的翅膀顏色會(huì)在振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生一些變化。又如人們?cè)趯?duì)琥珀和昆蟲(chóng)進(jìn)行打磨、拋光等操作時(shí)，如果不慎損壞其結(jié)構(gòu)，琥珀和昆蟲(chóng)保存了上億年的金屬色便會(huì)被毀于一旦。

結(jié)構(gòu)色的顯色原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)色的顯色原理是生物表面結(jié)構(gòu)對(duì)光的一種反饋，每種結(jié)構(gòu)色都是光學(xué)現(xiàn)象的產(chǎn)物。生物表面結(jié)構(gòu)各不相同，顯現(xiàn)出來(lái)的顏色也就千變?nèi)f化了。

結(jié)構(gòu)色包含三種類(lèi)型：薄膜干涉、衍射效應(yīng)以及選擇性散射。

生物的結(jié)構(gòu)色大多來(lái)自薄膜干涉。薄膜干涉產(chǎn)生的顏色與生物表面結(jié)構(gòu)的層數(shù)以及每層的結(jié)構(gòu)形態(tài)有關(guān)，層數(shù)越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，光照射到表面后產(chǎn)生的反射光與發(fā)射光之間的干涉就會(huì)越明顯，表面呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)色也就越鮮艷明亮。

通過(guò)衍射效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色，主要來(lái)自生物表面規(guī)則結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的布拉格衍射效應(yīng)。光在遇到表面規(guī)則結(jié)構(gòu)時(shí)，在被部分吸收的同時(shí)，剩下的光會(huì)改變傳播方向，發(fā)生折射或反射，與方向的光線疊加干涉后，就產(chǎn)生了新的光學(xué)效果，也就是結(jié)構(gòu)色。

不規(guī)則的生物表面結(jié)構(gòu)被光線照射時(shí)會(huì)發(fā)生散射，能夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的散射通常是瑞利散射或米氏散射。當(dāng)顆粒尺寸小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)時(shí)，主要發(fā)生瑞利散射，散射顏色成分主要是藍(lán)色。當(dāng)顆粒尺寸約等于或大于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)時(shí)，則會(huì)發(fā)生米氏散射，散射顏色主要是紅色和綠色。

結(jié)構(gòu)色的應(yīng)用

基于特殊的顯色原理，結(jié)構(gòu)色具有很多優(yōu)勢(shì)，比如清潔環(huán)保、固色持久、顏色可控等。人們可以通過(guò)多種手段控制物體的表面結(jié)構(gòu)，使之顯現(xiàn)特定的顏色，這類(lèi)技術(shù)目前已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在軍事領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)各類(lèi)裝備噴涂特殊染料，令其吸收或散射特定波長(zhǎng)的光，可使裝備在雷達(dá)面前隱身。另外，充分利用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的多層微孔結(jié)構(gòu)，可以制造既具有偽裝功能又透氣保溫的智能穿戴設(shè)備。

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，通過(guò)精心設(shè)計(jì)表面結(jié)構(gòu)，可以制成結(jié)構(gòu)色纖維，由這種纖維織成的衣物無(wú)需再進(jìn)行染色，一方面可以避免生產(chǎn)中染料廢水對(duì)環(huán)境造成的傷害，另一方面也能防止衣物在多次清洗后褪色。

在生活領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)色的應(yīng)用也非常廣泛。例如，之前發(fā)行的冬奧紀(jì)念鈔就通過(guò)植入納米微觀結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。水平觀察時(shí)，紙幣上呈現(xiàn)的是“綠水青山”，而垂直觀察時(shí)“綠水青山”又變成了“金山銀山”，這種技術(shù)不僅提升了紙鈔的審美價(jià)值，更是將可持續(xù)發(fā)展理念融入其中，充分發(fā)揮了結(jié)構(gòu)色的環(huán)保特性。

此外，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)研究顯示，一個(gè)中美科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種新型結(jié)構(gòu)色材料，這種材料未來(lái)或可應(yīng)用于交通領(lǐng)域。研究人員做過(guò)實(shí)驗(yàn)，將這種材料覆蓋于路口，由于行人和司機(jī)的觀察角度不同，接收到的信號(hào)也有所不同，能夠起到分別警示的效果。

大自然創(chuàng)造的色彩總能讓我們驚嘆，而我們?cè)谝徊讲教剿鬟@些色彩的同時(shí)也在不斷學(xué)習(xí)大自然的鬼斧神工的造物之術(shù)，在這個(gè)探索—學(xué)習(xí)—探索的過(guò)程中，我們又為這個(gè)世界增添了許多艷麗的色彩。