结构下的色彩奥秘

李庆欣

自然界中，有许多动物都具备神奇的变色能力，最为大家所熟知的非变色龙莫属了。长久以来，生物学家们都以为，变色龙的变色是通过控制其皮肤的三层色素细胞中的色素在各层之间交融变换，来实现身体颜色的多种变化，即色素变色说。然而，不久前瑞士日内瓦大学的科学家通过深入研究，有力地推翻了变色龙的色素变色说，并指出变色龙皮肤内的纳米晶体是变色龙变色的根本原因，即晶体折射变色说。也就是说，变色龙是利用了皮肤纳米晶体的变化，改变皮肤表面晶格的结构，从而改变了其皮肤的“结构色”。

色彩魔术的创造者

在人类的日常生活中，我们通过色素来实现颜色的改变，这统称为化学色。与常见的化学色不同，结构色与色素无关，它是生物体表面的亚显微结构——嵴、纹、小面和颗粒，使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉，所导致的一种特殊的颜色效应。

这里以变色龙的变色原理为例。由于可见光是由七种不同颜色的有色光组成——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，其中，红色光的波长最长，而紫色光的波长较短。当变色龙心情平静时，其体表皮肤中的纳米晶体变得更加紧密，使其反射波长较短的蓝紫色光，则其皮肤显现为蓝紫色；而当变色龙较为兴奋时，纳米晶体变得松弛下来，则会反射波长较长的红黄色光。变色龙就是这样通过其皮肤结构色的改变，为我们表演一场场光彩夺目的色彩魔术的。

巧夺天工的自然结构色

或许，结构色这个名词对于大家来说还有些陌生，但其实它在自然界中处处可见，而我们也不得不叹服大自然的鬼斧神工。

300多年前，著名的英国科学家牛顿就发现，雄性孔雀尾羽中被称作“眼斑”的部分，色彩极其华丽，而这种光泽闪耀的色彩是源于孔雀尾羽非常纤细的毛细丝结构，使光发生了干涉所产生的，因此也使孔雀尾羽从不同的角度呈现不同的颜色。

此外，蝴蝶是大自然中唯美自由的象征，而其翅膀上缤纷的花纹和色彩，几乎是自然界最为巧夺天工的作品。虽然，蝴蝶翅膀上绚丽的色彩有化学色的功劳，但结构色同样功不可没，几乎没有蝴蝶不具有结构色，并且其光亮度是色素发光完全没法比拟的。以巴西的国蝶蓝闪蝶为例，其翅膀的表面铺满了透明的树状脊结构的鳞片。自然光照射在这些鳞片的每个肋片薄膜上时，都会发生反射和折射，而这些薄膜的厚度、材质、相隔距离等，正好适合蓝色光发生相长干涉，从而产生了明亮绚丽的蓝色光，完全盖过了其他的颜色，也使蓝闪蝶名副其实。

不期而遇的人造结构色

结构色不仅存在于神奇的自然界中，在人类生活中，也常有意无意地制造出结构色。比较常见的，例如肥皂泡在阳光下能够泛出彩虹般的七彩颜色，这就是由于阳光通过肥皂泡薄膜的厚度接近于可见光的波长，前后表面反射的可见光发生干涉，并且随着视角和薄膜厚度的变化，干涉波长也同样变化，从而会产生七彩颜色。而CD光盘在阳光下也有类似的效果。

此外，中国古代钧窑瓷器艺术美的一大外观特征即为蓝色的乳光釉，其像青玛瑙或蛋白石一般美丽的天青色半乳浊状态，不仅使钧釉产生一系列由浅到深的蓝色，而且还赋予其一种含蓄的光泽和优雅的质感。科学家研究发现，这种乳光蓝色来自于瓷器釉层的微结构。在钧瓷的烧制过程中，由于失稳分解，釉层中产生了富Si和富Ca两相无序交错的联通域。这两种联通域具有不同的折射率，光在其中的传播发生了相干散射，进而产生了乳光蓝色。

万变色彩的未来世界

目前，人类已经将结构色应用到了诸多领域，例如一些人造珠宝，其表面有规律的精细纳米结构可以展现出金属的光泽，并且从不同角度观察，其展示的色彩也不尽相同。

在前沿科技方面，美国加利福尼亚州大学的科学家们还研制出变色龙型人造皮肤，同样利用结构色的原理，只需要轻轻弯曲即可按要求改变颜色。这种变色材料的应用领域非常广泛，例如用作军装材料，这种变色龙型人造皮肤可以帮助士兵轻易地根据周围环境伪装自己；也可以用于制作新型广告牌，把颜色变换升级为更复杂精密的图案变换，替换传统的滚动广告等等。

也许未来的某一天，靠结构来变色的材料将遍布世界，那时，我们的世界也将更加色彩万变。