关于大学物理教材中孔雀羽毛色彩变化原因的讨论

李 艳 陈 敏 王天文

（扬州大学物理科学与技术学院，江苏 扬州 225000）

图1

我们在学习大学物理讲到光的薄膜干涉时，教科书上举了这样一个例子：一片孔雀的羽毛，咋一看，羽毛表面呈一般的蓝绿色，但仔细观察发现羽毛的颜色在闪烁，如果换个角度或当羽毛在抖动时我们会发现颜色发生了变化，这是一种光的“薄膜干涉现象”.［1］我们通过查阅相关文献发现，孔雀羽毛颜色变化是“薄膜干涉”现象的解释是不正确的.［2，3］

图2

图3

其实，根据科学家的研究发现雄性孔雀羽毛的颜色不仅来源于色素，还来源于它所具有的特殊的物理结构——生物光子晶体（见图4）.［5，6］羽毛上的组织生物光子晶体可以对光产生散射和干涉作用，依靠自然光与波长尺度相似的纳米光子晶体结构的相互作用而产生颜色，这就是科学家所说的纳米结构生色.［3］不只是孔雀的羽毛，很多蝴蝶、蜻蜓的翅膀，甲壳虫［5，6］和一些水母、海鼠［7］彩虹色的产生也是由于这个原因.

图4

复旦大学资剑教授的课题组研究发现，［2］雄性孔雀羽毛的小羽枝表皮下面存在着生物光子纳米结构.实验和理论模拟结果显示，二维周期结构沿表皮方向对于某一波段的光有很强的反射，从而会形成不同的颜色.这种结构对光主要有两种调控方式：一种是周期长度（也称为晶格常数）调控，另一种是周期数目调控.表皮下生物光子晶体的结构不同的晶格常数控制着不同的颜色，孔雀羽毛小羽枝的棕色、黄色、绿色、蓝色所对应的晶格常数依次减少.研究还发现棕色羽毛的产生有所不同，其晶格常数最小.

有的研究者对雄性孔雀羽毛的结构生色原理作了进一步的研究，他们通过光学显微镜等仪器观察孔雀羽毛小羽枝的微观结构，证明生物光子晶体的不完全光子带隙结构使得落在光子带隙内的光反射加强，并且不同的角度反射光的波长也不一样，发射出的颜色光彩不同.［3］入射的自然光与周期性的纳米结构相互作用产生结构色，角蛋白杆周期性排列的紧密程度以及相互叠加的层数决定了雄性孔雀羽毛呈现黄、绿、蓝、棕等不同彩色.正是这种生物光子晶体的周期性产生的光的干涉是雄性孔雀羽毛绚丽多姿的主要原因，也正是如此能使本来没有颜色的生物体由于结构生色呈现出闪烁斑斓的色彩.对于雌性孔雀的羽毛的研究观察并不具有这种微观周期性结构，因此也就不会显示出绚丽的色彩.

相比于由色素产生的色素色，结构生色的色彩饱和度高且绿色环保，只要保证结构生色材料的折射率和尺寸不变，其颜色就不会消减.生物体内周期性结构生色机理为仿生制作光子晶体提供了依据，可以仿生设计制备出具有类似于孔雀羽毛光子晶体结构的功能复合材料，将在光学器件和光通信领域具有很大应用价值.［7］［8］［9］孔雀羽毛的这种结构生色机理也可应用于改善纺织品着色技术，提高纺织品颜色的深度和鲜艳度.［3］利用结构生色原理能最大限度的减少颜料的使用，从而简化、缩短整个加工进程，促进纺织业的进一步发展，并且能够减少污染，省水节能.

1 毛骏健，顾牧，大学物理（下册）［M］，北京：高等教育出版社2006（1），96－105.

2 Zi J，Yu X，Li Y，et al.Coloration strategies in peacock feathers［J］.PNAS，2003（22）：12576－12578.

3 龚䶮，卢永凯，王红凤等.孔雀羽毛的纳米结构生色机理及其仿生结构器件的应用初探［J］.北京大学学报（自然科学版）2010（5）：859－862.

4 潘笃武，贾玉润，陈善华.光学（上册）［M］.上海：复旦大学出版社，1997（6）：125.

5 田长鑫.生物光子纳米结构分析［J］，企业技术开发，2011（12）：38，48.

6 Parker A R，Martini N.Structural color in animals-simple to complex optics［J］.Optics ＆ Laser Technology，2005（38）：315－322.

7 McPhedran R C，Nicorovici N A，McKenzie D R，et al.Structural colours through photonic crystals［J］.Physica B，2003（1－4）：182－185.

8 Zang Y，Tan Y，Lv Z，et al.Moth wing scales as optical pH sensors［J］.Sensors and Actuators B，2012（166）：824－828.

9 Parker A R.A vision for natural photonics［J］.Phil.Trans.R.Soc.Lond.A，2004：2708－2720.