繽紛的色彩……竟然已經傳承上億年？
審核專家：羅會仟
中國科學院物理研究所副研究員
自然界充滿了繽紛的色彩，無論是蔥蔥綠樹、簇簇紅花還是穿梭其中的鳥兒和蝴蝶，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，那麼這些美麗的顏色是怎麼顯現出來的呢？
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色彩的來源
一般來說，自然界的顏色有三個來源：生物發光、化學色和結構色。生物發光是指在有氧條件下，一些生物通過催化劑的作用將有機物中的化學能轉化為光能並釋放出來，螢火蟲、水母等生物發光都屬於這種情況。
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化學色顯色依靠色素，在大自然中，我們看到的大部分顏色都是化學色，化學色會因為色素的流失或改變而褪色或變色。例如，火烈鳥的顏色來源於它的食物濾食藻類和浮游生物，它們含有類胡蘿蔔素，火烈鳥食用以後，類胡蘿蔔素的累積就使其羽毛顯現出了硃紅色。一旦火烈鳥停止食用這類食物，它的顏色就會慢慢變回為灰色或白色。
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結構色顯色依靠生物的表面結構，當觀察角度發生改變或是表面結構出現變化時，我們看到的顏色就會有些許不同。例如，蝴蝶和鳥兒的翅膀顏色會在振動過程中產生一些變化。又如人們在對琥珀和昆蟲進行打磨、拋光等操作時，如果不慎損壞其結構，琥珀和昆蟲保存了上億年的金屬色便會被毀於一旦。
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結構色的顯色原理
簡單來說，結構色的顯色原理是生物表面結構對光的一種反饋，每種結構色都是光學現象的產物。生物表面結構各不相同，顯現出來的顏色也就千變萬化了。
結構色包含三種類型：薄膜干涉、衍射效應以及選擇性散射。
生物的結構色大多來自薄膜干涉。薄膜干涉產生的顏色與生物表面結構的層數以及每層的結構形態有關，層數越多，結構越複雜，光照射到表面後產生的反射光與發射光之間的干涉就會越明顯，表面呈現的結構色也就越鮮艷明亮。
薄膜干涉
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通過衍射效應產生的結構色，主要來自生物表面規則結構產生的布拉格衍射效應。光在遇到表面規則結構時，在被部分吸收的同時，剩下的光會改變傳播方向，發生折射或反射，與方向的光線疊加干涉後，就產生了新的光學效果，也就是結構色。
表面結構布拉格衍射示意圖
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不規則的生物表面結構被光線照射時會發生散射，能夠產生結構色的散射通常是瑞利散射或米氏散射。當顆粒尺寸小於可見光的波長時，主要發生瑞利散射，散射顏色成分主要是藍色。當顆粒尺寸約等於或大於可見光的波長時，則會發生米氏散射，散射顏色主要是紅色和綠色。
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結構色的應用
基於特殊的顯色原理，結構色具有很多優勢，比如清潔環保、固色持久、顏色可控等。人們可以通過多種手段控制物體的表面結構，使之顯現特定的顏色，這類技術目前已在多個領域得到應用。
在軍事領域，通過對各類裝備噴塗特殊染料，令其吸收或散射特定波長的光，可使裝備在雷達面前隱身。另外，充分利用產生結構色的多層微孔結構，可以製造既具有偽裝功能又透氣保溫的智能穿戴設備。
在工業生產領域，通過精心設計表面結構，可以製成結構色纖維，由這種纖維織成的衣物無需再進行染色，一方面可以避免生產中染料廢水對環境造成的傷害，另一方面也能防止衣物在多次清洗後褪色。
冬奧紀念幣水平觀察
冬奧紀念幣垂直觀察
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在生活領域，結構色的應用也非常廣泛。例如，之前發行的冬奧紀念鈔就通過植入納米微觀結構展現了「綠水青山就是金山銀山」的發展理念。水平觀察時，紙幣上呈現的是「綠水青山」，而垂直觀察時「綠水青山」又變成了「金山銀山」，這種技術不僅提升了紙鈔的審美價值，更是將可持續發展理念融入其中，充分發揮了結構色的環保特性。
此外，發表在《科學進展》雜誌上的一項研究顯示，一個中美科研團隊開發出了一種新型結構色材料，這種材料未來或可應用於交通領域。研究人員做過實驗，將這種材料覆蓋於路口，由於行人和司機的觀察角度不同，接收到的信號也有所不同，能夠起到分別警示的效果。
大自然創造的色彩總能讓我們驚嘆，而我們在一步步探索這些色彩的同時也在不斷學習大自然的鬼斧神工的造物之術，在這個探索—學習—探索的過程中，我們又為這個世界增添了許多艷麗的色彩。
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來源：數字北京科學中心
編輯：fiufiu
