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五彩斑斓的黑,千变万化的白,姹紫嫣红的绿……竟然已经传承了100000000年?

原创
北京科学中心

审核专家:罗会仟

中国科学院物理研究所副研究员

自然界充满了缤纷的色彩,无论是葱葱绿树、簇簇红花还是穿梭其中的鸟儿和蝴蝶,都为我们的世界增添了很多美感。它们的色彩,有的清新,有的艳丽,有的活泼,有的炫目,那么这些美丽的颜色是怎么显现出来的呢?

色彩的来源一般来说,自然界的颜色有三个来源:生物发光、化学色和结构色。生物发光是指在有氧条件下,一些生物通过催化剂的作用将有机物中的化学能转化为光能并释放出来,萤火虫、水母等生物发光都属于这种情况。

来源丨unsplash

化学色显色依靠色素,在大自然中,我们看到的大部分颜色都是化学色,化学色会因为色素的流失或改变而褪色或变色。例如,火烈鸟的颜色来源于它的食物滤食藻类和浮游生物,它们含有类胡萝卜素,火烈鸟食用以后,类胡萝卜素的累积就使其羽毛显现出了朱红色。一旦火烈鸟停止食用这类食物,它的颜色就会慢慢变回为灰色或白色。

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结构色显色依靠生物的表面结构,当观察角度发生改变或是表面结构出现变化时,我们看到的颜色就会有些许不同。例如,蝴蝶和鸟儿的翅膀颜色会在振动过程中产生一些变化。又如人们在对琥珀和昆虫进行打磨、抛光等操作时,如果不慎损坏其结构,琥珀和昆虫保存了上亿年的金属色便会被毁于一旦。

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结构色的显色原理简单来说,结构色的显色原理是生物表面结构对光的一种反馈,每种结构色都是光学现象的产物。生物表面结构各不相同,显现出来的颜色也就千变万化了。

结构色包含三种类型:薄膜干涉、衍射效应以及选择性散射。

生物的结构色大多来自薄膜干涉。薄膜干涉产生的颜色与生物表面结构的层数以及每层的结构形态有关,层数越多,结构越复杂,光照射到表面后产生的反射光与发射光之间的干涉就会越明显,表面呈现的结构色也就越鲜艳明亮。

薄膜干涉 来源丨百度百科

通过衍射效应产生的结构色,主要来自生物表面规则结构产生的布拉格衍射效应。光在遇到表面规则结构时,在被部分吸收的同时,剩下的光会改变传播方向,发生折射或反射,与方向的光线叠加干涉后,就产生了新的光学效果,也就是结构色。

表面结构布拉格衍射示意图 来源丨百度百科

不规则的生物表面结构被光线照射时会发生散射,能够产生结构色的散射通常是瑞利散射或米氏散射。当颗粒尺寸小于可见光的波长时,主要发生瑞利散射,散射颜色成分主要是蓝色。当颗粒尺寸约等于或大于可见光的波长时,则会发生米氏散射,散射颜色主要是红色和绿色。

结构色的应用基于特殊的显色原理,结构色具有很多优势,比如清洁环保、固色持久、颜色可控等。人们可以通过多种手段控制物体的表面结构,使之显现特定的颜色,这类技术目前已在多个领域得到应用。

在军事领域,通过对各类装备喷涂特殊染料,令其吸收或散射特定波长的光,可使装备在雷达面前隐身。另外,充分利用产生结构色的多层微孔结构,可以制造既具有伪装功能又透气保温的智能穿戴设备。

在工业生产领域,通过精心设计表面结构,可以制成结构色纤维,由这种纤维织成的衣物无需再进行染色,一方面可以避免生产中染料废水对环境造成的伤害,另一方面也能防止衣物在多次清洗后褪色。

冬奥纪念币水平观察

冬奥纪念币垂直观察 来源丨网络

在生活领域,结构色的应用也非常广泛。例如,之前发行的冬奥纪念钞就通过植入纳米微观结构展现了“绿水青山就是金山银山”的发展理念。水平观察时,纸币上呈现的是“绿水青山”,而垂直观察时“绿水青山”又变成了“金山银山”,这种技术不仅提升了纸钞的审美价值,更是将可持续发展理念融入其中,充分发挥了结构色的环保特性。

此外,发表在《科学进展》杂志上的一项研究显示,一个中美科研团队开发出了一种新型结构色材料,这种材料未来或可应用于交通领域。研究人员做过实验,将这种材料覆盖于路口,由于行人和司机的观察角度不同,接收到的信号也有所不同,能够起到分别警示的效果。

大自然创造的色彩总能让我们惊叹,而我们在一步步探索这些色彩的同时也在不断学习大自然的鬼斧神工的造物之术,在这个探索—学习—探索的过程中,我们又为这个世界增添了许多艳丽的色彩。

评论
无限探索者
少师级
大自然的色彩让我们惊叹,我们在探索和学习大自然鬼斧神工的造物之术的同时,也为世界增添了许多艳丽的色彩。
2022-06-25
传承解惑
少师级
化学色显色依靠色素,在大自然中,我们看到的大部分颜色都是化学色,化学色会因为色素的流失或改变而褪色或变色。
2022-06-25
李玉芳翁
少师级
自然界的颜色来源于生物发光、化学色和结构色,这三个颜色来源使自然界充满了缤纷的色彩
2022-06-25