用光就能涂颜色有光的地方总会有绚丽的色彩

2020-11-20 11:20:50来源：科技日报

你一定知道有种蓝色的玫瑰名为蓝色妖姬，据说十分珍贵。不过，世间本没有蓝色玫瑰，染得色多了也便成了蓝色妖姬。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而成。

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。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。

如此经济实惠的蓝色光，被植物毫不犹豫地吸收，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，蓝色的动物很多。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，它们看起来也就没那么“火烈”了，会呈现黯淡一些的灰色或白色。那么，世界上蓝色的植物这么少，大蓝闪蝶、炫彩孔雀等动物到底是从哪里“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”，又名“彩虹色”。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。

如果我们把蓝色大闪蝶的翅膀放在显微镜下。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得错落有致。

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，相邻的角质层之间隔着空气层。你可以把它想象成千层蛋糕。一层奶油一层班戟薄饼，交替排列。

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。还有一部分先射入薄膜，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。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。

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。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。

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，当它们叠在一起时，薄膜的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，蝴蝶翅膀的颜色会有差异。鸟类的蓝色羽毛，也是类似的原理。

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，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色彩。所以大闪蝶的标本总是能保持光鲜，永不褪色。不过结构色也有弱点，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。

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》。