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还在讨论iPhone塑料蓝? 这个用光涂的蓝才是高级蓝

2020-11-20 来源:科技日报     编辑:襄阳

  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》.

  (来源:《万物》杂志官方微信"把科学带回家")

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