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。
作者名片
作者：悲催的铊宝宝
编辑、排版：咻咻
题图来源：Pixabay
参考文献：
[1] Shevtsova E., Hansson C., Janzen D. H., et al. Stable structural color patterns displayed on transparent insect wings [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2011, 108 (2): 668-673.
[2] 王卅,李玉花,张旸.热带雨林低光植物结构色产生机制及生物学功能研究进展[J].园艺学报,2012,39(11):2291-2300.
[3] Khudiyev, T., Dogan, T., & Bayindir, M. (2014). Biomimicry of multifunctional nanostructures in the neck feathers of mallard (Anas platyrhynchos L.) drakes. Scientific Reports, 4(1).
[4] Teyssier, J. et al. Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nat. Commun. 6:6368 doi: 10.1038/ncomms7368 (2015).
[5] B. B. Patel, D. J. Walsh, D. H. Kim, J. Kwok, B. Lee, D. Guironnet, Y. Diao, Tunable structural color of bottlebrush block copolymers through direct-write 3D printing from solution. Sci. Adv. 6, eaaz7202 (2020).
[6] 何家庆. 三维仿生光功能材料及其应用研究[D].上海交通大学,2018.
[7] 东南大学等七所工科院校.物理学（第五版）[M].高等教育出版社:北京,2006.
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