【作者按】五顏六色的肥皂泡、蝴蝶閃亮的翅膀、孔雀美麗的羽毛……不知你可曾注意過，這些繽紛的色彩其實并非來自任何化學(xué)顏料，而是來自于結(jié)構(gòu)色。 那么什么是結(jié)構(gòu)色，它是如何產(chǎn)生的，對我們的生活會帶來哪些幫助呢？從今天起，科學(xué)公園作者@嵌段共聚物 將通過《不需要顏料的色彩》系列文章為我們介紹這一有趣的現(xiàn)象。

        不走運的研究員

        周末的自然博物館，前來參觀的人絡(luò)繹不絕，其中的蝴蝶標(biāo)本展廳更是吸引了眾多游客駐足觀看。在眾多色彩絢麗的蝴蝶中，一類名為閃蝶的蝴蝶格外地引人注目。這些主要生活美洲熱帶地區(qū)的蝴蝶體型很大，部分翅膀完全展開后長度可達20厘米，而且翅膀還呈現(xiàn)出閃亮的藍色^[1]。盡管館中陳列的只是沒有生命的標(biāo)本，人們還是能想象出，當(dāng)閃蝶在熱帶雨林中翩翩起舞時，一片綠色中閃耀著道道藍光的美麗景象。

圖1 許多種類的閃蝶雄性個體的翅膀都呈現(xiàn)藍色[2]。

        當(dāng)眾人為閃蝶的美麗而贊嘆不已時，有一位參觀者陷入了沉思。這是一位專門從事顏料開發(fā)的研究員。面對著閃蝶翅膀上美麗耀眼的藍色，他突然想到，如果能夠?qū)㈤W蝶翅膀中產(chǎn)生藍色的物質(zhì)分離鑒別出來，說不定可以開發(fā)一種新型的藍色顏料呢。

        回到實驗室，這位研究員設(shè)法找來一些閃蝶的標(biāo)本，很快開始了實驗。他的實驗方案是這樣的：先將翅膀研磨成很細的粉末，然后用酒精作為溶劑將其中的顏料提取出來。在過去的科研生涯中，他成功地用這種方法鑒別出很多顏料。這一次他自然是信心滿滿，相信自己一定會成功。

        然而意想不到的事情發(fā)生了：閃蝶翅膀被研磨成粉末后，藍色消失了。這位研究員簡直不敢相信自己的眼睛——難道研磨過程破壞了顏料的化學(xué)結(jié)構(gòu)？雖然覺 得這不大可能，他還是決定嘗試不經(jīng)研磨直接用溶劑提取。然而詭異的現(xiàn)象再一次發(fā)生：當(dāng)他把閃蝶的翅膀浸泡到酒精中時，藍色的翅膀變成了綠色，而酒精并沒有 帶上任何顏色，顯然并沒有什么顏料跑到酒精中。而當(dāng)他把閃蝶翅膀從酒精中取出后，沒過多久翅膀又恢復(fù)了藍色。對此感到困惑不解的研究員只得中止了實驗。圖2 當(dāng)閃蝶翅膀浸泡到液體中時，翅膀的顏色會發(fā)生變化（綠色箭頭），

一旦液體揮發(fā)，翅膀又會恢復(fù)原有的顏色（藍色箭頭）[3]。

        顏料與色彩

        要理解什么是結(jié)構(gòu)色，首先應(yīng)該了解一下顏色是如何產(chǎn)生的。眾所周知，光是電磁波的一種。電磁波波長的變化范圍很大，但只有波長在400～800納米 這個范圍的電磁波——即通常所說的可見光——能夠被我們的眼睛感受到，而且波長不同的光會使得人眼感受到不同的顏色。例如波長為450～495納米的可見 光會讓人感受到藍色，波長在495～570納米和620～740納米范圍內(nèi)的可見光則分別帶來綠色和紅色。太陽發(fā)射的電磁波包含了全部可見光的范圍，且各 個波長的光的強度大致相同，因此當(dāng)太陽光照射到人眼時，我們感受到的是各種顏色疊加的結(jié)果——白色。

圖3 上：可見光在電磁波中的位置，以及不同顏色的可見光與波長的對應(yīng)關(guān)系；

                   下：一種胡蘿卜素的吸收光譜，橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為吸光率，縱坐標(biāo)數(shù)

值越大，表明越多的光被吸收[4]。

        肥皂泡表面為什么有顏色？

        顏料色使得我們的世界不再“非黑即白”，而是充滿了繽紛的色彩。不過顏料色并不是顏色的唯一來源，一個典型的例子是肥皂泡。肥皂泡在太陽光的照射下，表面會呈現(xiàn)出斑斕的色彩。而產(chǎn)生肥皂泡的水中并沒有添加任何顏料，那么它表面的顏色是如何產(chǎn)生的呢？

圖4 肥皂泡的表面經(jīng)常呈現(xiàn)出不同的顏色，這是典型的結(jié)構(gòu)色

        當(dāng)人們看到肥皂泡時，可能很自然地會想到這是因為光被肥皂泡的表面反射進入了人眼。但肥皂泡實際上并不是實心的球體，而是由肥皂水的薄膜構(gòu)成的空心 的球殼。照射到肥皂泡表面的陽光有一部分直接被肥皂泡的外表面反射開去，還有一部分穿過空氣與水的界面進入水膜，被肥皂泡的內(nèi)表面反射后再一次穿過空氣與 水的界面離開肥皂泡^[5]。因此當(dāng)我們看到肥皂泡時，實際上是有兩束不同的反射光一起進入了我們的眼睛?，F(xiàn)在問題來了：假設(shè)這兩束光的強度相同，進入我們眼睛的反射光的總強度是多少呢？

圖5 光在肥皂泡內(nèi)外表面分別發(fā)生反射的示意圖[6]

        那么光的干涉是如何讓肥皂泡呈現(xiàn)出顏色的呢？兩束光在照射到肥皂泡之前，它們的“步調(diào)”是完全一致的。然而經(jīng)過肥皂泡時，由于第二束光從肥皂泡內(nèi)表 面反射回來才與第一束光相遇，顯然它比第一束光多走了一段路；而正是這一段路，導(dǎo)致兩束光有可能“步調(diào)”不再一致。為什么呢？讓我們思考這個例子：假設(shè)有 甲乙二人一起做同一套健美操，做完一套動作需要10分鐘。兩個人從同一時間開始，節(jié)奏也完全一致，因此我們會看到兩個人一起擴胸，一起跳躍，就像一個人似 的。二人一起做完某一遍動作后，甲停下來休息，而乙繼續(xù)做下一遍動作。過了8分鐘，甲也開始做第二遍。這個時候旁邊的教練急了：為什么甲在擴胸的時候乙在 踢腿呢，是二人的配合出了問題么？當(dāng)然不是，是兩個人產(chǎn)生了時間差。如果甲等10分鐘而不是8分鐘，這樣甲重新開始的時候乙也剛好完成上一遍開始下一遍， 二人的協(xié)調(diào)就不會出任何問題了。顯然，甲也可以等20分鐘、30分鐘甚至100分鐘再開始，只要等待的時間是10分鐘的整數(shù)倍，我們就不會看到二人動作不一致。

圖6 左：兩束光發(fā)生相長干涉時，總強度最大；右：發(fā)生相消干涉時，總強度最小[6]。

        但是，不要忘記太陽光除了藍光還有其他顏色的光。不同顏色的光波長不同，所以，要讓某個厚度的水膜剛好能夠使得所有顏色的光都通過干涉達到最大的光 強，顯然是不可能的。假設(shè)肥皂泡某個位置膜的厚度正好可以使得光在某個角度入射時，從內(nèi)表面反射回來的光多走了675納米的路程。對于波長是450納米的 藍光，這個路程恰好是波長的1.5倍，于是藍光的強度剛好可以達到最大^[8]?？墒菍τ诓ㄩL是675納米的紅光，這個路程是波長的 1倍，結(jié)果紅光由于發(fā)生相消干涉反而強度降到零。本來在太陽光中不同顏色的光強度大致相同，然而當(dāng)這束光離開肥皂泡時，藍光的強度明顯要高于其他顏色的 光，于是我們就看到肥皂泡的這個位置呈現(xiàn)出藍色。同樣，在肥皂泡的另一個位置，肥皂水膜的厚度也許正好可以讓紅光的強度達到最大，顯然這個時候藍光又不滿 足這個條件了，于是在我們眼中，這個位置的肥皂泡是紅色的。這也就是為什么肥皂泡的不同位置常常呈現(xiàn)出不同的色彩。

        與肥皂泡類似的情況還有許多。例如我們經(jīng)常會看到漂浮在水面上的油膜在燈光照耀下會變得五光十色，這也是由于薄膜的存在使得光發(fā)生了干涉。膜的厚度 不同，顏色也會不同。這些顏色就是典型的結(jié)構(gòu)色——由于這種物體本身具有的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致某種顏色的光更強烈地進入我們的眼睛。這種顏色的產(chǎn)生并不依賴于具體的 化學(xué)物質(zhì)——無論構(gòu)成肥皂泡薄膜的是水、酒精還是汽油，抑或是塑料和玻璃，只要膜的厚度合適，我們總能夠觀察到顏色。

        閃蝶翅膀上的顏色也是由于同樣的原理而產(chǎn)生的，只不過形成顏色的結(jié)構(gòu)更加精妙罷了。接下來，我將帶領(lǐng)大家繼續(xù)領(lǐng)略自然的神奇。