[科普中國]-肥皂泡泡究竟有沒有顏色？是結(jié)構(gòu)色！

公園里的三五個小孩，一手拿著泡泡液，一手揚著沾了泡泡液的塑料圈，輕輕一吹，便吹出了一串串彩色的肥皂泡。有個小孩抬頭看了看天上一直變幻著色彩的泡泡，又低頭看了看手里透明的肥皂液，忍不住向小伙伴發(fā)問——

“泡泡的顏色，是從哪兒來的？”

“我也不知道，大概是泡泡有魔法？”

呈現(xiàn)出五顏六色的肥皂泡 | Pixabay

那個發(fā)問的小孩就是我，而多年以后我才明白，組成這個萬千世界的顏色有兩類， 一類是色素色，一類是結(jié)構(gòu)色。

什么叫做結(jié)構(gòu)色

比起結(jié)構(gòu)色，我們更為熟悉的是那些來自色素的顏色，這些色素可以是天然的，也可能是人工合成的。

? 青菜、茼蒿、西蘭花

這些蔬菜的綠色大多來自于天然葉綠素

? 番茄、西瓜、木瓜

它們會含有較多紅色的番茄紅素

? 甜菜、枸杞、紅心火龍果

它們的紅色，則來自于天然的甜菜紅素

? 藍(lán)莓、西梅、黑加侖

紫色的蔬果往往富含著花青素

? 彩色巧克力豆外表那層鮮艷的脆皮

它們的顏色則來自人工合成的食用色素

添加了色素的多彩巧克力豆 | Pixabay

這類顏色的出現(xiàn)，是由于 物品中含有色素 ，而色素的化學(xué)結(jié)構(gòu)能夠吸收特定波長的光、把剩余的可見光反射到人眼中，而形成我們看到的顏色，屬于 色素色 。

葉綠素和食用色素日落黃的化學(xué)結(jié)構(gòu) | 作者繪制

那些不含色素、看起來透明卻也能產(chǎn)生顏色的物體，則是一定是通過特殊的微觀結(jié)構(gòu)形成了結(jié)構(gòu)色。 生活中常見的比如吹出來的彩色泡泡，CD的背面；自然界中的不少動物們也擁有結(jié)構(gòu)色，有如蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛。

幾乎所有蝴蝶都有結(jié)構(gòu)色 | Pixabay

孔雀的羽毛也有著結(jié)構(gòu)色 | Pixabay

彩色泡泡的奧秘

每種結(jié)構(gòu)色都有著不太相同的形成原理，而肥皂泡泡呈現(xiàn)彩色，原因就藏在它一層薄薄的膜里。

由于肥皂泡的薄膜有厚度，當(dāng)自然光照射到薄膜上，它會經(jīng) 薄膜的上、下兩個表面，分別反射 出多條頻率相同、振動方向相同，但是存在恒定相位差的光線。

光線在肥皂泡膜的反射原理 | 作者繪制

當(dāng)我們?nèi)搜劢邮盏椒瓷涑龅墓饩€，就看到了顏色。但為什么經(jīng)過這番折騰，反射出的不是和自然光一樣的白光，而是彩色的光呢？這就需要拆解一下自然光。 自然光在經(jīng)過肥皂泡薄膜的反射時，會產(chǎn)生不同波長的色光 ，比如波長較長的紅光、波長較短的藍(lán)光等等。

自然光與三棱鏡的經(jīng)典實驗 | Wikipedia

當(dāng)自然光在薄膜的上、下表面分別發(fā)生反射，會產(chǎn)生多條反射光。多條反射光的波形，可能重合也可能交錯。這是因為 反射光之間存在著相位差，加上 薄膜的厚度不確定，波形不一定能重合。

反射光的波形不一定能重合 | 作者繪制

同一色光的反射光，若波形重合，對應(yīng)的顏色就會增強；若波形交錯，顏色就會減弱。 圖示中的情況，是紅光波形發(fā)生重合，因而紅色會更明顯；藍(lán)光的波形產(chǎn)生交錯，因此最終呈現(xiàn)的藍(lán)色會很淡。

在實際情況中，肥皂泡薄膜由于重力等原因，厚度并不均一，因此同一色光的波形是重合還是交錯，非常隨機。赤橙黃綠青藍(lán)紫， 每種色光都可能因為波形重合而被加強，繼而在泡泡上呈現(xiàn)出來 ——這也就是我們能在泡泡上看到各類顏色變幻多樣的原因。在光線照射下，肥皂泡薄膜產(chǎn)生多樣的結(jié)構(gòu)色的現(xiàn)象，就被稱為 單層薄膜干涉 。

赤橙黃綠青藍(lán)紫的肥皂泡膜 | Pixabay

其實這種由薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的顏色并不罕見。當(dāng)你在廚房刷洗著油乎乎的鍋碗瓢盆，油在水池里鋪成薄薄的油膜時，也會出現(xiàn)漂亮的色彩。它和肥皂泡的色彩同出一轍，只是少有人會稱贊廚房油污的美貌罷了。

在大自然，有些昆蟲的翅膀就是一層厚度不等的透明薄膜，在陽光下?lián)淅鈺r， 翅膀便能干涉出多種顏色 ，比如蜻蜓，在陽光下翅膀就可以呈現(xiàn)出的豐富結(jié)構(gòu)色。

近距離觀察蜻蜓的翅膀 | Pixabay

雙層薄膜，多倍色彩

當(dāng)把兩種薄膜貼在一起時，情況就更復(fù)雜了。由于兩種薄膜對光的折射能力不同，光線經(jīng)過它們時相當(dāng)于連續(xù)發(fā)生了 兩次單層薄膜干涉 。

雙層薄膜干涉會反射出更多的平行光線 | 作者繪制

生長在陰暗低光環(huán)境的翠云草 （ Selaginella uncinata ） 就有著這樣的雙層薄膜結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)存在于葉片上層表皮的外側(cè)細(xì)胞壁內(nèi)，促使葉片發(fā)出藍(lán)紫色或是藍(lán)綠色光澤，而這種光澤被認(rèn)為有助于提高植物的光合作用效率。

翠云草的藍(lán)暈色 | Wikipedia, David J. Stang / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-SA/4.0)

多重維度，堆疊幻色

如果把雙層薄膜看作是兩種不同材質(zhì)上下交錯堆疊的話，那么 二維光子晶體 就是堆著一摞不同材質(zhì)的棍子，不僅上下交錯，左右也有變化。二維光子晶體的出現(xiàn)，讓綠頭鴨 （ Anas platyrhynchos ） 的頸部羽毛除了有著濃艷藍(lán)綠色，更泛著金屬般的光澤。

（生活總要帶點綠的）綠頭鴨 | Pixabay

2015年，比爾肯大學(xué)的圖拉爾·胡季耶夫茨 （Tural Khudiyev） 等人在《科學(xué)報告》上揭開了綠頭鴨這一羽色的奧秘。當(dāng)研究者把綠頭鴨頸部羽毛放置到光學(xué)顯微鏡下查看，發(fā)現(xiàn)入射光角度較小時呈現(xiàn)綠色，而角度變大后呈現(xiàn)藍(lán)色。 這種隨著光線入射角度變化而變化的顏色，便是典型的結(jié)構(gòu)色特征之一。

綠頭鴨頸部羽毛在光學(xué)顯微鏡下的色彩 | 參考文獻[3]

在放大倍數(shù)更大的電子顯微鏡下，觀察羽毛局部的縱截面和橫截面時，可以看到角蛋白包裹著一根根排列整齊的小棍子，形成二維光子晶體。 它們的性質(zhì)、排列間距等 ，都會影響羽毛最終呈現(xiàn)的顏色。

羽毛局部的縱截面、橫截面和結(jié)構(gòu)示意圖 | 參考文獻[3]

那么維度再上升一檔， 三維光子晶體是什么樣的呢？大概就像在微觀世界玩海洋球了 ——對光有著不同折射能力的晶體，可以堆疊成三維的結(jié)構(gòu)，在上下、左右、前后三個維度自由地排布，通過干涉產(chǎn)生更多樣的色彩。

2015年《自然·通訊》就曾報道豹變色龍 （ Furcifer pardalis ） 表皮橫截面的微觀結(jié)構(gòu)。來自日內(nèi)瓦大學(xué)的熱雷米·泰西耶 （Jérémie Teyssier） 等人發(fā)現(xiàn)，雄性豹變色龍表皮的兩種虹彩細(xì)胞中， 緊密地排列著納米級的鳥嘌呤晶體，形成了三維光子晶體。

豹變色龍表皮橫截面（c），鳥嘌呤晶體（d/e中白色部分）在兩種虹彩細(xì)胞中的不同排布模式 | 參考文獻[4]

變色龍受到刺激后，這些晶體的排布間隔會改變，從而影響皮膚對光的折射能力，最終呈現(xiàn)出變色效果。

變色龍也具有結(jié)構(gòu)色 | Pixabay

結(jié)構(gòu)生色？用起來

這些結(jié)構(gòu)色的研究也激發(fā)了科學(xué)家們的腦洞創(chuàng)新 ：如果利用光學(xué)結(jié)構(gòu)生色，是不是染色、打印的時候都不用色素了？

在2020年6月，來自伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的比拉爾·帕特爾 （Bijal B. Patel） 等人以結(jié)構(gòu)生色的原理，研發(fā)出了一款可呈現(xiàn)多種顏色的3D打印墨水。

用上新奇墨水，期待形成更多有趣設(shè)計 | Pixabay

這款墨水采用的材料是特殊的嵌段共聚物，你可以把它想象成重復(fù)出現(xiàn)A和B結(jié)構(gòu)的分子，形成了以ABABAB形式排列的化合物。等打印出來后，墨水里的溶劑慢慢蒸發(fā)，共聚物發(fā)生微觀相分離，也就是分子中的A和B片段會出現(xiàn)空間分離：A和A抱團、B和B在一起。如此一來，可以 形成周期性的空間排布，在光線照射下，就能輕松產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。

墨水溶劑蒸發(fā)后的微觀結(jié)構(gòu) | 參考文獻[5]

于是，通過控制打印的速度和溫度，我們可以使用同一墨水呈現(xiàn)出從紅到藍(lán)的豐富顏色變化。

打印速度&溫度與顏色的關(guān)系 | 參考文獻[5]

傳統(tǒng)的繪畫中，畫師需要通過更改三原色的比例來調(diào)色；而我們用這種墨水進行打印時，只需要比照著色卡， 調(diào)節(jié)打印的速度和溫度，就能作出彩色畫了。

五彩斑斕的黑也有希望了不是？| Pixabay

想象一下，當(dāng)結(jié)構(gòu)生色的技術(shù)能大量運用于服裝工業(yè)時，你還愁一款衣服不知道買哪個配色嗎？

說不定到手的衣服，在陽光晴好的日子里是黃色，在陰雨綿綿時會變成藍(lán)色，走進昏暗的室內(nèi)后還能再變一種色。更棒的是，這種因微觀結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的顏色，怎么洗都不會掉色。

作者名片

作者：悲催的鉈寶寶

編輯、排版：咻咻

題圖來源：Pixabay

參考文獻：

[1] Shevtsova E., Hansson C., Janzen D. H., et al. Stable structural color patterns displayed on transparent insect wings [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2011, 108 (2): 668-673.

[2] 王卅,李玉花,張旸.熱帶雨林低光植物結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生機制及生物學(xué)功能研究進展[J].園藝學(xué)報,2012,39(11):2291-2300.

[3] Khudiyev, T., Dogan, T., & Bayindir, M. (2014). Biomimicry of multifunctional nanostructures in the neck feathers of mallard (Anas platyrhynchos L.) drakes. Scientific Reports, 4(1).

[4] Teyssier, J. et al. Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nat. Commun. 6:6368 doi: 10.1038/ncomms7368 (2015).

[5] B. B. Patel, D. J. Walsh, D. H. Kim, J. Kwok, B. Lee, D. Guironnet, Y. Diao, Tunable structural color of bottlebrush block copolymers through direct-write 3D printing from solution. Sci. Adv. 6, eaaz7202 (2020).

[6] 何家慶. 三維仿生光功能材料及其應(yīng)用研究[D].上海交通大學(xué),2018.

[7] 東南大學(xué)等七所工科院校.物理學(xué)（第五版）[M].高等教育出版社:北京,2006.

歡迎個人轉(zhuǎn)發(fā)到朋友圈

本文版權(quán)屬于“我是科學(xué)家”，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載。如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系iscientist@guokr.com

歡迎填寫調(diào)查問卷，支持我們 ↓↓↓

“科普中國”公眾滿意度調(diào)查問卷 ▲