【作者按】五颜六色的肥皂泡、蝴蝶闪亮的翅膀、孔雀美丽的羽毛……不知你可曾注意过,这些缤纷的色彩其实并非来自任何化学颜料,而是来自于结构色。那么什么是结构色,它是如何产生的,对我们的生活会带来哪些帮助呢?从今天起,科学公园作者@嵌段共聚物 将通过《不需要颜料的色彩》系列文章为我们介绍这一有趣的现象。
周末的自然博物馆,前来参观的人络绎不绝,其中的蝴蝶标本展厅更是吸引了众多游客驻足观看。在众多色彩绚丽的蝴蝶中,一类名为闪蝶的蝴蝶格外地引人注目。这些主要生活美洲热带地区的蝴蝶体型很大,部分翅膀完全展开后长度可达20厘米,而且翅膀还呈现出闪亮的蓝色[1]。尽管馆中陈列的只是没有生命的标本,人们还是能想象出,当闪蝶在热带雨林中翩翩起舞时,一片绿色中闪耀着道道蓝光的美丽景象。
当众人为闪蝶的美丽而赞叹不已时,有一位参观者陷入了沉思。这是一位专门从事颜料开发的研究员。面对着闪蝶翅膀上美丽耀眼的蓝色,他突然想到,如果能够将闪蝶翅膀中产生蓝色的物质分离鉴别出来,说不定可以开发一种新型的蓝色颜料呢。
回到实验室,这位研究员设法找来一些闪蝶的标本,很快开始了实验。他的实验方案是这样的:先将翅膀研磨成很细的粉末,然后用酒精作为溶剂将其中的颜料提取出来。在过去的科研生涯中,他成功地用这种方法鉴别出很多颜料。这一次他自然是信心满满,相信自己一定会成功。
然而意想不到的事情发生了:闪蝶翅膀被研磨成粉末后,蓝色消失了。这位研究员简直不敢相信自己的眼睛——难道研磨过程破坏了颜料的化学结构?虽然觉得这不大可能,他还是决定尝试不经研磨直接用溶剂提取。然而诡异的现象再一次发生:当他把闪蝶的翅膀浸泡到酒精中时,蓝色的翅膀变成了绿色,而酒精并没有带上任何颜色,显然并没有什么颜料跑到酒精中。而当他把闪蝶翅膀从酒精中取出后,没过多久翅膀又恢复了蓝色。对此感到困惑不解的研究员只得中止了实验。
一旦液体挥发,翅膀又会恢复原有的颜色(蓝色箭头)[3]。
要理解什么是结构色,首先应该了解一下颜色是如何产生的。众所周知,光是电磁波的一种。电磁波波长的变化范围很大,但只有波长在400~800纳米这个范围的电磁波——即通常所说的可见光——能够被我们的眼睛感受到,而且波长不同的光会使得人眼感受到不同的颜色。例如波长为450~495纳米的可见光会让人感受到蓝色,波长在495~570纳米和620~740纳米范围内的可见光则分别带来绿色和红色。太阳发射的电磁波包含了全部可见光的范围,且各个波长的光的强度大致相同,因此当太阳光照射到人眼时,我们感受到的是各种颜色叠加的结果——白色。
下:一种胡萝卜素的吸收光谱,横坐标为波长,纵坐标为吸光率,纵坐标数
值越大,表明越多的光被吸收[4]。
颜料色使得我们的世界不再“非黑即白”,而是充满了缤纷的色彩。不过颜料色并不是颜色的唯一来源,一个典型的例子是肥皂泡。肥皂泡在太阳光的照射下,表面会呈现出斑斓的色彩。而产生肥皂泡的水中并没有添加任何颜料,那么它表面的颜色是如何产生的呢?
当人们看到肥皂泡时,可能很自然地会想到这是因为光被肥皂泡的表面反射进入了人眼。但肥皂泡实际上并不是实心的球体,而是由肥皂水的薄膜构成的空心的球壳。照射到肥皂泡表面的阳光有一部分直接被肥皂泡的外表面反射开去,还有一部分穿过空气与水的界面进入水膜,被肥皂泡的内表面反射后再一次穿过空气与水的界面离开肥皂泡[5]。因此当我们看到肥皂泡时,实际上是有两束不同的反射光一起进入了我们的眼睛。现在问题来了:假设这两束光的强度相同,进入我们眼睛的反射光的总强度是多少呢?
那么光的干涉是如何让肥皂泡呈现出颜色的呢?两束光在照射到肥皂泡之前,它们的“步调”是完全一致的。然而经过肥皂泡时,由于第二束光从肥皂泡内表面反射回来才与第一束光相遇,显然它比第一束光多走了一段路;而正是这一段路,导致两束光有可能“步调”不再一致。为什么呢?让我们思考这个例子:假设有甲乙二人一起做同一套健美操,做完一套动作需要10分钟。两个人从同一时间开始,节奏也完全一致,因此我们会看到两个人一起扩胸,一起跳跃,就像一个人似的。二人一起做完某一遍动作后,甲停下来休息,而乙继续做下一遍动作。过了8分钟,甲也开始做第二遍。这个时候旁边的教练急了:为什么甲在扩胸的时候乙在踢腿呢,是二人的配合出了问题么?当然不是,是两个人产生了时间差。如果甲等10分钟而不是8分钟,这样甲重新开始的时候乙也刚好完成上一遍开始下一遍,二人的协调就不会出任何问题了。显然,甲也可以等20分钟、30分钟甚至100分钟再开始,只要等待的时间是10分钟的整数倍,我们就不会看到二人动作不一致。
但是,不要忘记太阳光除了蓝光还有其他颜色的光。不同颜色的光波长不同,所以,要让某个厚度的水膜刚好能够使得所有颜色的光都通过干涉达到最大的光强,显然是不可能的。假设肥皂泡某个位置膜的厚度正好可以使得光在某个角度入射时,从内表面反射回来的光多走了675纳米的路程。对于波长是450纳米的蓝光,这个路程恰好是波长的1.5倍,于是蓝光的强度刚好可以达到最大[8]。可是对于波长是675纳米的红光,这个路程是波长的1倍,结果红光由于发生相消干涉反而强度降到零。本来在太阳光中不同颜色的光强度大致相同,然而当这束光离开肥皂泡时,蓝光的强度明显要高于其他颜色的光,于是我们就看到肥皂泡的这个位置呈现出蓝色。同样,在肥皂泡的另一个位置,肥皂水膜的厚度也许正好可以让红光的强度达到最大,显然这个时候蓝光又不满足这个条件了,于是在我们眼中,这个位置的肥皂泡是红色的。这也就是为什么肥皂泡的不同位置常常呈现出不同的色彩。
与肥皂泡类似的情况还有许多。例如我们经常会看到漂浮在水面上的油膜在灯光照耀下会变得五光十色,这也是由于薄膜的存在使得光发生了干涉。膜的厚度不同,颜色也会不同。这些颜色就是典型的结构色——由于这种物体本身具有的结构导致某种颜色的光更强烈地进入我们的眼睛。这种颜色的产生并不依赖于具体的化学物质——无论构成肥皂泡薄膜的是水、酒精还是汽油,抑或是塑料和玻璃,只要膜的厚度合适,我们总能够观察到颜色。
闪蝶翅膀上的颜色也是由于同样的原理而产生的,只不过形成颜色的结构更加精妙罢了。接下来,我将带领大家继续领略自然的神奇。
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