生物的结构色

生物的结构色生物的结构色 摘要摘要 花草树木 鱼鸟飞虫 自然界中许多生物体都呈现出五彩缤纷的生物色彩 汇 通过查阅资料 本文简要的分析的颜色的形成原理 着重研究了结构色的 概念 形成机理和研究现状 对自然界中代表性的几种生物体中存在的结构生 色的微结构及其成色机理进行了简单的研究 并且结合结构生色的优点 联系 生活做出相应的探索 1 色彩的概念色彩的概念 颜色是人眼的一种生理感觉 是光依赖于人眼视觉的一种特殊属性 光照 射到物体上 经过物体的反射或透射后进入人眼 形成光刺激 根据生理解剖 学观点 人眼产生的视觉是由于光刺激视觉神经而引起的一种反应 光源 物 体和观测者是颜色知觉形成中的三个组成部分 改变其中一个或多个 将使颜 色知觉发生变化 从颜色形成的内因分析生物体上的颜色主要可分为两类 化学 色和结构色 1 1 化学色化学色 化学色是指由色素产生的颜色 从本质上来说 色素色来源于电子在分子 轨道间的跃迁 自然光入射到色素上 色素分子通过有选择性的吸收 反射和 透射特定波长 频率 的光线从而展现出不同的颜色 由于色素分子对光的吸收和 反射没有方向性 所以从各个方向观察色素颜色是一致 有些色素还具有许多 奇特的光 电和热性质 如光致变色 热致变色 化学发光和电致发光 色素 色有个非常明显的缺点 就是色素分子经过一段时间与空气中的一些化学成分 发生化合作用 发生褪色现象 1 2 结构色结构色 自然界中大部分颜色是由色素产生 但是还有一些颜色并非由色素形成而 是由非常精细的微结构形成的结构色 这些结构色通常具有光泽 颜色会随视 角发生变化 例如蝴蝶翅色 鸟类羽色 欧泊宝石 海产贝壳 甲虫体壁表面 等 通过可见光与物质的物理上的微观结构发生相互作用 产生的对某些波长 的选择性反射和透射的效应 导致我们感知到的颜色 称为结构色 和色素色 不同的是结构色通常具有方向性 也就是说在不同的方向观察到的颜色不同 即虹彩效应 2 结构色的形成原理 结构色的形成原理 结构色与色素着色无关 是生物体亚显微结构所导致的一种光学效果 生 物体表面或表层的嵴 纹 小面和颗粒能使光发生反射或散射作用 从而产生 特殊的颜色效应 例如 鸟类的羽色 蝴蝶的翅色主要是由于光的干涉现象所 引起的 火鸡头颈周围皮肤呈蓝色和灵长类脸部 臀部及生殖区皮肤的蓝色 则是由于入射光中的蓝紫部分被表皮组织中的大量细小颗粒 其直径与蓝紫光 波长相当 反射出来 而入射光中的红黄部分则透过这个颗粒层被真皮组织中 的黑色素吸收 结构色来源于光与微观结构相互作用 一般而言 其光学效应 是由下面三种效应之一或者由它们的组合而产生的 多层薄膜的干涉效应 表面或 体周期结构相联系的衍射效应 由亚波长大小的颗粒产生的波长选择性散射口产 生 结构色的物理机制是物体微结构对光进行的调制 所以不同的微观结构将 会产生不同的光学现象 2 1 多层薄膜的干涉效应 多层薄膜的干涉效应 自然界绝大多数的结构色都来源于薄膜干涉 薄膜干涉包括单层膜干涉和 多层膜干涉 由单层膜干涉产生颜色的典型例子是肥皂泡拥有的虹彩色 肥皂 泡的表面是一层液体膜 光线入射到肥皂泡上将会在两个界面分别发生反射 不同表面反射的光线将会发生干涉 在自然界中 更常见的则是多层周期系统 相比于单层膜而言 由多层膜 产生的颜色更加明亮艳丽 饱和度更高 形式也各多样 多层膜结构基本上有 三种形式 如图 1 所示 第一种为多层层堆结构 每个层堆由均匀层组成 每个层堆对某一特定波长进行调制 第二种称为 啁啾层堆 即高低折射率 膜层的厚度沿薄膜垂直方向系统地减薄或者增加 第三种可描述为 混沌层堆 其高低折射率膜层的厚度是随机变化的 后两种结构中 膜层的层数随样品 不同而有所差异 可根据膜层的厚度和膜层折射率确定反射带的位置与宽度 进而得知呈现的颜色 2 2 表面或体周期结构相联系的衍射效应表面或体周期结构相联系的衍射效应 衍射是指光波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生偏离直线传播 方向的现象 与干涉现象一样 本质上都是基于波场的线性叠加原理 与干涉 效应相比 由表面或复杂的次表面周期结构产生的衍射效应是较少见的 人们 可以将自然界的衍射结构分成以下两种 第一种为表面规则结构 一些结构表现为表皮上一系列规则间隔的平行或 近似平行的沟槽或突起 如一种 Burgess shale 古生物 其表皮有良好的光栅 结构 呈现明亮的彩虹色 第二种就是在光学波段能产生布拉格衍射效应的结构 有时归结为体衍射 光栅或光子晶体汇 具有这样的结构通常称为 具有光子带隙 的材料 当 带隙的范围落在可见光范围内 特定波长的可见光将不能透过该晶体 这些不 能传播的光将被光子晶体反射 在具有周期性结构的晶体表面形成相干衍 射 产生了能让眼睛感知的结构色 2 3 由亚波长大小的颗粒产生的波长选择性散射由亚波长大小的颗粒产生的波长选择性散射 光的散射分为两种 与颜色相关的散射为散射后光的波长 频率 不变的散射 即瑞利散射和米氏散射 散射光的颜色与颗粒的大小以及颗粒与周围介质的折 射率差有关 当颗粒尺寸小于光波波长时 散射光强和入射光强之比同波长的 四次方成反比 散射为瑞利散射 此时短波长 蓝色 的光会被优先散射 典型例 子如天空的蓝色 当颗粒大小在 3 00run 与 1 nm 之间时 颗粒都可以观察到很 好的蓝色瑞利散射 当散射颗粒尺寸接近或大于光波波长时 此时可使用米氏 理论 瑞利散射理论己不再适用 散射颜色不再是蓝色 颗粒有时会呈现各种 颜色 主要是红色和绿色 当颗粒大小接近 I nm 时 大部分的可见光被散射 散射光呈现白色 从介质体系的有序性角度 可将散射分为非关联散射和关联散射 非关联 散射指的是无序体系的散射 每个散射体与入射光单独发生作用并且相互之间 没有影响 如瑞利散射和米氏散射属于非关联散射 关联散射是指体系具有一定 有序性 周期性 每个散射体之间会产生相互作用 关联散射和非关联散射的 一个区别就是关联散射会具有一定的方向性 3 自然界中的典型例子自然界中的典型例子 3 1 漂亮的宝石漂亮的宝石 在自然界中发现的更早的三维光子晶体结构最典型的例子是蛋白石 蛋蛋白石 又称欧珀 会因观察角度而呈现不同颜色的闪光 因此很久以前就被作为宝石 而受到人们的喜爱 蛋白石是一种天然名贵宝石 盛产于澳洲 其绚丽夺目的 色彩是由于存在有序结构 1964 年前后 J V Sanders 在研究蛋白石的结构时 指出 蛋白石的成分是水合非晶态二氧化硅 其微观结构是单分散二氧化硅小 球按面心立方 fcc 结构排列而成 虽然构成这种结构的物质二氧化硅小球本 身没有颜色 蛋白石的亮丽色彩是由于内部微球的重复周期与可见光的波长接 近 从而发生布拉格衍射造成的 其鲜艳的色彩来自于特殊的周期性结构 因 此这种颜色为结构色 3 2 蝴蝶的翅膀蝴蝶的翅膀 自然界中的蝴蝶五彩缤纷 蝴蝶翅膀上的颜色就是来源于翅膀上的鳞片 鳞片就是你我们平时捕捉蝴蝶时手上带着的粉末 在高倍显微镜的观察下 这 些鳞片的形状千奇百怪 鳞片附着在翅膜上 更准确的来说有鳞片一部分是插 进翅膜里的 鳞片像瓦片一样紧密的排列 用显微镜观察可见鳞片基部有一小 柄嵌入翅膀上的凹窝 如下图 鳞片不排列在一个平面上 而是高低参差 鳞翅的角度各不相同 如果刮 去鳞片 剩下的蝶翅膜透明轻薄如蝉翼 没有任何颜色 由于翅膀上鳞片结构 不同 所具有的物理属性也不同而产生的不同颜色 在显微镜下 人们可以看 到这些鳞片有许多脊纹 某些种类的脊纹由许多半透明的薄层组成 有一定角 度且充满空气 这些结构能使光线产生折射 反射或干扰 从而形成各种各样 的光泽 光泽的变化随着光照角度的变化而变化 是导致颜色缤纷闪亮的主要 因素 这种物理结构是稳定的 只是随着光线强弱的变化 颜色也有强弱变化 而已 蝴蝶翅膀上的白色就是结构色 是因翅上微小的透明颗粒将光分散而产 生的 其中并没有色素 3 3 孔雀的羽毛孔雀的羽毛 孔雀因具有靓丽的色彩而备受科学家们关注 尤其是雄性孔雀尾羽中被称 作 眼斑 的部分 色彩华丽 光泽闪耀而凸显精致 采用扫描电子显微镜分别观察了雄性孔雀尾羽 眼斑 处小羽枝表面不同色彩 处的 图像 如图 所示 图 中 分别为 眼斑 处棕 黄 绿 蓝色部分表面放大 倍的 图像 可知 眼斑 处羽毛是由 许多根小羽枝构成 在每一个小羽枝上都存在着竹节状的周期结构 直径约为 棕 黄 绿 蓝色羽毛所对应的竹节长度 即结构周期 分 别为 和 随着周期数的降低 对 应色彩的波长呈递减的趋势 由图还可知不同色彩的小羽枝在形状上也呈现出 一定的差别 棕 黄色羽毛对应的小羽枝呈含有 竹节 的圆柱状 每个环节 处凸起 而绿 蓝色羽毛对应小羽枝呈扁平状 每个环节处略有凹陷 进一步 研究表明 不同颜色部位每个小羽枝宽度方向上内部含有数目和紧密程度不同 的小鳞片 这些小鳞片通过一定的胶黏蛋白连接呈格子状排列 之间的孔洞空 隙由空气填充 这种由小鳞片 胶黏蛋白和空气孔洞相连接的结构构成光子晶 体结构 形成不完全光子带隙 由于结构周期不同 吸收不同波段的可见光 使 眼斑 呈现出不同的颜色 对比雄性孔雀尾羽靓丽的色彩 雌性孔雀羽毛则与普通的禽类无太大异样 一 般呈现黑灰色或者棕褐色 图 为该类羽毛的光学照片 可知其由许多 根小细枝生长于中间主枝的两侧 图 中 图像显示羽毛中不存在 含有竹节的周期结构 而是一个个枝片状物质整齐的排列在主枝上 枝片的末 端排列有类似于小草的散支状结构 羽毛色彩源于色素对光的散射 4