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肥皂泡泡究竟有没有颜色?是结构色!

添加时间:2020-11-18 作者:悲催的铊宝宝 来源:我是科学家iScientist 点击:12 收藏 打印 字体:
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公园里的三五个小孩,一手拿着泡泡液,一手扬着沾了泡泡液的塑料圈,轻轻一吹,便吹出了一串串彩色的肥皂泡。有个小孩抬头看了看天上一直变幻着色彩的泡泡,又低头看了看手里透明的肥皂液,忍不住向小伙伴发问——


“泡泡的颜色,是从哪儿来的?”


“我也不知道,大概是泡泡有魔法?”



呈现出五颜六色的肥皂泡 | Pixabay


那个发问的小孩就是我,而多年以后我才明白,组成这个万千世界的颜色有两类,一类是色素色,一类是结构色。



什么叫做结构色


比起结构色,我们更为熟悉的是那些来自色素的颜色,这些色素可以是天然的,也可能是人工合成的。


▶ 青菜、茼蒿、西兰花

这些蔬菜的绿色大多来自于天然叶绿素


▶ 番茄、西瓜、木瓜

它们会含有较多红色的番茄红素


▶ 甜菜、枸杞、红心火龙果

它们的红色,则来自于天然的甜菜红素


▶ 蓝莓、西梅、黑加仑

紫色的蔬果往往富含着花青素


▶ 彩色巧克力豆外表那层鲜艳的脆皮

它们的颜色则来自人工合成的食用色素



添加了色素的多彩巧克力豆 | Pixabay


这类颜色的出现,是由于物品中含有色素,而色素的化学结构能够吸收特定波长的光、把剩余的可见光反射到人眼中,而形成我们看到的颜色,属于色素色。



叶绿素和食用色素日落黄的化学结构 | 作者绘制


那些不含色素、看起来透明却也能产生颜色的物体,则是一定是通过特殊的微观结构形成了结构色。生活中常见的比如吹出来的彩色泡泡,CD的背面;自然界中的不少动物们也拥有结构色,有如蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛。



几乎所有蝴蝶都有结构色 | Pixabay



孔雀的羽毛也有着结构色 | Pixabay


彩色泡泡的奥秘


每种结构色都有着不太相同的形成原理,而肥皂泡泡呈现彩色,原因就藏在它一层薄薄的膜里。


由于肥皂泡的薄膜有厚度,当自然光照射到薄膜上,它会经薄膜的上、下两个表面,分别反射出多条频率相同、振动方向相同,但是存在恒定相位差的光线。



光线在肥皂泡膜的反射原理 | 作者绘制


当我们人眼接收到反射出的光线,就看到了颜色。但为什么经过这番折腾,反射出的不是和自然光一样的白光,而是彩色的光呢?这就需要拆解一下自然光。自然光在经过肥皂泡薄膜的反射时,会产生不同波长的色光,比如波长较长的红光、波长较短的蓝光等等。



自然光与三棱镜的经典实验 | Wikipedia


当自然光在薄膜的上、下表面分别发生反射,会产生多条反射光。多条反射光的波形,可能重合也可能交错。这是因为反射光之间存在着相位差,加上薄膜的厚度不确定,波形不一定能重合。



反射光的波形不一定能重合 | 作者绘制


同一色光的反射光,若波形重合,对应的颜色就会增强;若波形交错,颜色就会减弱。图示中的情况,是红光波形发生重合,因而红色会更明显;蓝光的波形产生交错,因此最终呈现的蓝色会很淡。


在实际情况中,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还是交错,非常随机。赤橙黄绿青蓝紫,每种色光都可能因为波形重合而被加强,继而在泡泡上呈现出来——这也就是我们能在泡泡上看到各类颜色变幻多样的原因。在光线照射下,肥皂泡薄膜产生多样的结构色的现象,就被称为单层薄膜干涉。



赤橙黄绿青蓝紫的肥皂泡膜  | Pixabay


其实这种由薄膜结构产生的颜色并不罕见。当你在厨房刷洗着油乎乎的锅碗瓢盆,油在水池里铺成薄薄的油膜时,也会出现漂亮的色彩。它和肥皂泡的色彩同出一辙,只是少有人会称赞厨房油污的美貌罢了。


在大自然,有些昆虫的翅膀就是一层厚度不等的透明薄膜,在阳光下扑棱时,翅膀便能干涉出多种颜色,比如蜻蜓,在阳光下翅膀就可以呈现出的丰富结构色。



近距离观察蜻蜓的翅膀 | Pixabay


双层薄膜,多倍色彩


当把两种薄膜贴在一起时,情况就更复杂了。由于两种薄膜对光的折射能力不同,光线经过它们时相当于连续发生了两次单层薄膜干涉。



双层薄膜干涉会反射出更多的平行光线 | 作者绘制


生长在阴暗低光环境的翠云草(Selaginella uncinata)就有着这样的双层薄膜结构。这一结构存在于叶片上层表皮的外侧细胞壁内,促使叶片发出蓝紫色或是蓝绿色光泽,而这种光泽被认为有助于提高植物的光合作用效率。



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


多重维度,堆叠幻色


如果把双层薄膜看作是两种不同材质上下交错堆叠的话,那么二维光子晶体就是堆着一摞不同材质的棍子,不仅上下交错,左右也有变化。二维光子晶体的出现,让绿头鸭(Anas platyrhynchos)的颈部羽毛除了有着浓艳蓝绿色,更泛着金属般的光泽。



(生活总要带点绿的)绿头鸭 | Pixabay


2015年,比尔肯大学的图拉尔·胡季耶夫茨(Tural Khudiyev)等人在《科学报告》上揭开了绿头鸭这一羽色的奥秘。当研究者把绿头鸭颈部羽毛放置到光学显微镜下查看,发现入射光角度较小时呈现绿色,而角度变大后呈现蓝色。这种随着光线入射角度变化而变化的颜色,便是典型的结构色特征之一。



绿头鸭颈部羽毛在光学显微镜下的色彩 | 参考文献[3]


在放大倍数更大的电子显微镜下,观察羽毛局部的纵截面和横截面时,可以看到角蛋白包裹着一根根排列整齐的小棍子,形成二维光子晶体。它们的性质、排列间距等 ,都会影响羽毛最终呈现的颜色。



羽毛局部的纵截面、横截面和结构示意图 | 参考文献[3]


那么维度再上升一档,三维光子晶体是什么样的呢?大概就像在微观世界玩海洋球了——对光有着不同折射能力的晶体,可以堆叠成三维的结构,在上下、左右、前后三个维度自由地排布,通过干涉产生更多样的色彩。


2015年《自然·通讯》就曾报道豹变色龙(Furcifer pardalis)表皮横截面的微观结构。来自日内瓦大学的热雷米·泰西耶(Jérémie Teyssier)等人发现,雄性豹变色龙表皮的两种虹彩细胞中,紧密地排列着纳米级的鸟嘌呤晶体,形成了三维光子晶体。



豹变色龙表皮横截面(c),鸟嘌呤晶体(d/e中白色部分)在两种虹彩细胞中的不同排布模式 | 参考文献[4]


变色龙受到刺激后,这些晶体的排布间隔会改变,从而影响皮肤对光的折射能力,最终呈现出变色效果。



变色龙也具有结构色 | Pixabay


结构生色?用起来


这些结构色的研究也激发了科学家们的脑洞创新:如果利用光学结构生色,是不是染色、打印的时候都不用色素了?


在2020年6月,来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的比拉尔·帕特尔(Bijal B. Patel)等人以结构生色的原理,研发出了一款可呈现多种颜色的3D打印墨水。



用上新奇墨水,期待形成更多有趣设计 | Pixabay


这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复出现A和B结构的分子,形成了以ABABAB形式排列的化合物。等打印出来后,墨水里的溶剂慢慢蒸发,共聚物发生微观相分离,也就是分子中的A和B片段会出现空间分离:A和A抱团、B和B在一起。如此一来,可以形成周期性的空间排布,在光线照射下,就能轻松产生结构色。



墨水溶剂蒸发后的微观结构 | 参考文献[5]


于是,通过控制打印的速度和温度,我们可以使用同一墨水呈现出从红到蓝的丰富颜色变化。



打印速度&温度与颜色的关系 | 参考文献[5]


传统的绘画中,画师需要通过更改三原色的比例来调色;而我们用这种墨水进行打印时,只需要比照着色卡,调节打印的速度和温度,就能作出彩色画了。



五彩斑斓的黑也有希望了不是?| Pixabay


想象一下,当结构生色的技术能大量运用于服装工业时,你还愁一款衣服不知道买哪个配色吗?


说不定到手的衣服,在阳光晴好的日子里是黄色,在阴雨绵绵时会变成蓝色,走进昏暗的室内后还能再变一种色。更棒的是,这种因微观结构而产生的颜色,怎么洗都不会掉色。


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