審核專家：羅會仟

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中國科學院物理研究所副研究員

自然界充滿了繽紛的色彩，無論是蔥蔥綠樹、簇簇紅花還是穿梭其中的鳥兒和蝴蝶，都為我們的世界增添了很多美感。它們的色彩，有的清新，有的艷麗，有的活潑，有的炫目，那么這些美麗的顏色是怎么顯現(xiàn)出來的呢？

色彩的來源一般來說，自然界的顏色有三個來源：生物發(fā)光、化學色和結(jié)構(gòu)色。生物發(fā)光是指在有氧條件下，一些生物通過催化劑的作用將有機物中的化學能轉(zhuǎn)化為光能并釋放出來，螢火蟲、水母等生物發(fā)光都屬于這種情況。

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化學色顯色依靠色素，在大自然中，我們看到的大部分顏色都是化學色，化學色會因為色素的流失或改變而褪色或變色。例如，火烈鳥的顏色來源于它的食物濾食藻類和浮游生物，它們含有類胡蘿卜素，火烈鳥食用以后，類胡蘿卜素的累積就使其羽毛顯現(xiàn)出了朱紅色。一旦火烈鳥停止食用這類食物，它的顏色就會慢慢變回為灰色或白色。

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結(jié)構(gòu)色顯色依靠生物的表面結(jié)構(gòu)，當觀察角度發(fā)生改變或是表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化時，我們看到的顏色就會有些許不同。例如，蝴蝶和鳥兒的翅膀顏色會在振動過程中產(chǎn)生一些變化。又如人們在對琥珀和昆蟲進行打磨、拋光等操作時，如果不慎損壞其結(jié)構(gòu)，琥珀和昆蟲保存了上億年的金屬色便會被毀于一旦。

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結(jié)構(gòu)色的顯色原理簡單來說，結(jié)構(gòu)色的顯色原理是生物表面結(jié)構(gòu)對光的一種反饋，每種結(jié)構(gòu)色都是光學現(xiàn)象的產(chǎn)物。生物表面結(jié)構(gòu)各不相同，顯現(xiàn)出來的顏色也就千變?nèi)f化了。

結(jié)構(gòu)色包含三種類型：薄膜干涉、衍射效應以及選擇性散射。

生物的結(jié)構(gòu)色大多來自薄膜干涉。薄膜干涉產(chǎn)生的顏色與生物表面結(jié)構(gòu)的層數(shù)以及每層的結(jié)構(gòu)形態(tài)有關(guān)，層數(shù)越多，結(jié)構(gòu)越復雜，光照射到表面后產(chǎn)生的反射光與發(fā)射光之間的干涉就會越明顯，表面呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)色也就越鮮艷明亮。

薄膜干涉 來源丨百度百科

通過衍射效應產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色，主要來自生物表面規(guī)則結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的布拉格衍射效應。光在遇到表面規(guī)則結(jié)構(gòu)時，在被部分吸收的同時，剩下的光會改變傳播方向，發(fā)生折射或反射，與方向的光線疊加干涉后，就產(chǎn)生了新的光學效果，也就是結(jié)構(gòu)色。

表面結(jié)構(gòu)布拉格衍射示意圖 來源丨百度百科

不規(guī)則的生物表面結(jié)構(gòu)被光線照射時會發(fā)生散射，能夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的散射通常是瑞利散射或米氏散射。當顆粒尺寸小于可見光的波長時，主要發(fā)生瑞利散射，散射顏色成分主要是藍色。當顆粒尺寸約等于或大于可見光的波長時，則會發(fā)生米氏散射，散射顏色主要是紅色和綠色。

結(jié)構(gòu)色的應用基于特殊的顯色原理，結(jié)構(gòu)色具有很多優(yōu)勢，比如清潔環(huán)保、固色持久、顏色可控等。人們可以通過多種手段控制物體的表面結(jié)構(gòu)，使之顯現(xiàn)特定的顏色，這類技術(shù)目前已在多個領(lǐng)域得到應用。

在軍事領(lǐng)域，通過對各類裝備噴涂特殊染料，令其吸收或散射特定波長的光，可使裝備在雷達面前隱身。另外，充分利用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的多層微孔結(jié)構(gòu)，可以制造既具有偽裝功能又透氣保溫的智能穿戴設備。

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，通過精心設計表面結(jié)構(gòu)，可以制成結(jié)構(gòu)色纖維，由這種纖維織成的衣物無需再進行染色，一方面可以避免生產(chǎn)中染料廢水對環(huán)境造成的傷害，另一方面也能防止衣物在多次清洗后褪色。

冬奧紀念幣水平觀察

冬奧紀念幣垂直觀察 來源丨網(wǎng)絡

在生活領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)色的應用也非常廣泛。例如，之前發(fā)行的冬奧紀念鈔就通過植入納米微觀結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。水平觀察時，紙幣上呈現(xiàn)的是“綠水青山”，而垂直觀察時“綠水青山”又變成了“金山銀山”，這種技術(shù)不僅提升了紙鈔的審美價值，更是將可持續(xù)發(fā)展理念融入其中，充分發(fā)揮了結(jié)構(gòu)色的環(huán)保特性。

此外，發(fā)表在《科學進展》雜志上的一項研究顯示，一個中美科研團隊開發(fā)出了一種新型結(jié)構(gòu)色材料，這種材料未來或可應用于交通領(lǐng)域。研究人員做過實驗，將這種材料覆蓋于路口，由于行人和司機的觀察角度不同，接收到的信號也有所不同，能夠起到分別警示的效果。

大自然創(chuàng)造的色彩總能讓我們驚嘆，而我們在一步步探索這些色彩的同時也在不斷學習大自然的鬼斧神工的造物之術(shù)，在這個探索—學習—探索的過程中，我們又為這個世界增添了許多艷麗的色彩。

標簽： 表面結(jié)構(gòu) 薄膜干涉 綠水青山