结构色[1,2],又称物理色,是一种由光的波长引发的光泽,光入射到空间周期与波长相近的物体上时,由光的散射、干涉或衍射作用而产生的颜色。生物体表通常具有非光滑结构,光在生物体微结构中传播,容易形成结构色,如蝴蝶翅膀表面五颜六色的鳞片等都是典型的结构色。
蝴蝶[3],节肢动物门、昆虫纲、鳞翅目、锤角亚目动物的统称。全世界大约有14000多种,大部分分布在美洲,尤其在亚马逊河流域品种最多。中国有1200种。蝴蝶一般色彩鲜艳,身上有好多条纹,色彩较丰富,翅膀和身体有各种花斑,最大的蝴蝶展翅可达28~30厘米左右,最小的只有0.7厘米左右。蝴蝶体表的颜色课分为两类,一类是色素色,另一类就是结构色。蝴蝶翅膀上丰富多彩的图案一般是用来隐藏、伪装和吸引配偶的。
蝴蝶翅膀鳞片上的角质层由纳米和微尺度、透明的几丁质和空气层状结构组成。这些多尺度结构并没有像色素和染料那样吸收和反射特定波长的光,而是导致撞到机翼表面的光产生衍射和干涉。从机翼微尺度脊两侧突出的交叉肋对入射光波进行衍射,使光波在结构之间的空间中传播。然后,衍射光波相互干扰,使某些颜色波长抵消(破坏性干扰),而另一些颜色波长增强和反射(放大性干扰)。翅膀鳞片脊的不同高度似乎会影响干涉,因此从大范围的角度看,反射的颜色是均匀的。反射的特定颜色取决于结构的形状和它们之间的距离。这种操纵光线的方式产生了绚丽的结构色,蝴蝶依靠这种颜色来伪装、调节体温和发出信号[4]。
仿蝴蝶结构彩色材料在光电子、生物化学、医学等领域得到了广泛的应用[5]。与周期性介质单元一样,被称为“光子晶体”的结构彩色材料可以控制光子的传播,并产生所谓的光子带隙。通过将光子晶体裁剪成一定的表面微观结构,这些结构色彩材料被赋予了角度无关性,从而可以用于装饰、涂料、绘画和展示单元。通过引入缺陷或空腔,可以引导或捕获光流,从而为光子通信创建波导或光子电路。这样的光子器件也可以与电子器件集成,从而为光电应用带来光明。除了引导光线,结构色彩材料也能感知光线。这种材料将反应性聚合物结合到光子晶体结构框架中,可以通过不同程度的颜色变化来识别和检测广泛的刺激,从而在防伪技术和智能传感器[6]中得到重要应用。值得注意的是,近年来,响应性结构彩色材料在生物医学领域引起了广泛的关注,它可以作为光谱条形码、无标签传感器和细胞微载体用于多种生物分子和细胞的[7]和[8]检测。
[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BB%93%E6%9E%84%E8%89%B2
[2] https://baike.baidu.com/item/%E7%BB%93%E6%9E%84%E8%89%B2
[3] https://baike.baidu.com/item/%E8%9D%B4%E8%9D%B6/5811
[4] https://asknature.org/strategy/wing-scales-cause-light-to-diffract-and-interfere/
[5] https://www.materialstoday.com/amorphous/articles/s136970211600095x/
[6] C. Fenzl, et al. Angew. Chem. Int. Ed., 53 (2014), pp. 3318-3335
[7] Y.J. Zhao, et al. Acc. Chem. Res., 47 (2014), pp. 3632-3642
[8] K.R. Phillips, et al. Chem. Soc. Rev., 45 (2016), pp. 281-322
Pete Vukusic
Andrew R Parker
Silvia Vignolini
韩志武
牛士超
张荻
顾忠泽
赵远锦