還在討論iPhone塑料藍? 這個用光塗的藍纔是高級藍

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你一定知道有種藍色的玫瑰名爲藍色妖姬,據說十分珍貴。不過,世間本沒有藍色玫瑰,染得色多了也便成了藍色妖姬。藍色妖姬是一種人工製造的玫瑰品種,通過白玫瑰的轉基因外加染色處理而成。

縱觀整個植物界,藍色的花的確是稀有物種,它們所佔的比重不到10%,而且有很多都不是呈現純藍色,而是花青素在鹼性條件下發出的藍紫色。而另一個事實是,據一項研究統計,全世界最受人民喜愛的顏色是藍色。藍色這麼好看,爲什麼不長在花上?花當然不會按照人類的喜好來開,它們的一切都是爲了生存。

要想解答爲什麼藍色的花少見,首先要解答一個初中生物課的經典問題:葉子爲什麼是綠色的?

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因爲葉綠素。這是個標準答案,可爲什麼偏偏是葉綠素,而不是葉藍素呢?葉綠素可以幫助葉片吸收陽光,特別是紅橙光和藍紫光,它們不喜歡綠光,所以綠色光被反射出去,葉片因此呈現出綠色。關鍵就在這裏,葉綠素喜歡吸收藍色光,是因爲藍色光含有的能量更高。對於植物來說,吸收更高能的光線可以提高能量的吸收效率,它們沒有理由放棄這樣的光。

如此經濟實惠的藍色光,被植物毫不猶豫地吸收,藍光反射不出來,自然進入不了人的眼睛,這就是藍色的植物很少見的原因。

不過動物界並不是這樣的光景,藍色的動物很多。通常來說,動物身體裏的色素很多是依靠吃進去的食物來獲取的。比如火烈鳥喜歡吃蝦,所以它們的身體粉粉的,假如攝入的食物裏類胡蘿蔔素不足,它們看起來也就沒那麼“火烈”了,會呈現黯淡一些的灰色或白色。那麼,世界上藍色的植物這麼少,大藍閃蝶、炫彩孔雀等動物到底是從哪裏“偷”來的藍色呢?

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是光。我們剛纔提到的所有顏色,都是依靠色素呈現的,它們屬於化學色。但大自然還有另一種策略,簡單來說就是“用光塗色”,通過表面精細的納米結構使色光發生干涉和衍射,只保留特定波長的色光。這樣的顏色被稱爲“結構色”,又名“彩虹色”。從直觀視覺上來說,結構色看起來閃着金屬光澤,有點像時尚配色裏的鐳射色。而且在不同的角度觀察時,會呈現出不同的色彩。

如果我們把藍色大閃蝶的翅膀放在顯微鏡下。你首先會看到堆積在一起的鱗片。假如你徒手抓過蝴蝶,一定會在手指上留下一些粉末狀的東西。那就是蝴蝶翅膀上的鱗片。顯微鏡下的鱗片排列得錯落有致。

繼續放大,你會發現鱗片並不是一個簡單的薄片,它從側面看就像是聖誕樹,有好幾層分叉。其實,每層分叉都是一層角質層,厚度在幾十至幾百納米,這些角質層本身都是透明的,相鄰的角質層之間隔着空氣層。你可以把它想象成千層蛋糕。一層奶油一層班戟薄餅,交替排列。

角質層產生的效應和肥皂泡類似。透明的肥皂泡在陽光下會呈現彩虹般的炫彩。這是因爲肥皂泡表面的薄膜會發生薄膜干涉。陽光照向透明的薄膜時,一部分光直接在外表面被反射,我們叫它先頭部隊。還有一部分先射入薄膜,在內表面被反射,再折射出薄膜,我們叫它斷後部隊。射出薄膜後,先頭部隊和斷後部隊的兩束光相遇,會發生干涉。此時,如果兩束光走過的路程差是其波長的整數倍,光波就會疊加,信號會增強。

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我們都知道,不同色光對應着不同的波長。所以經過了薄膜干涉,某種特定波長的色光將會變得明顯。具體什麼顏色,取決於薄膜的厚度和光線的入射角度。薄膜較厚或者入射光線比較垂直時,泡泡偏藍色;如果薄膜較薄或者光線斜射進入,泡泡呈暖暖的黃色。

肥皂泡雖有顏色,但並不強烈。可如果把好幾個泡泡摞在一起呢?鱗片的“聖誕樹”上,每一層角質層都相當於一個肥皂泡薄膜,當它們疊在一起時,薄膜的干涉效果就會顯著增強,假如每一層經過干涉都產生了淡淡的藍色,那麼經過6—10層的累積,藍光連續加劇,其餘色光連續減弱,最終就能呈現出驚豔亮眼的炫彩藍色了。當光從不同角度入射時,薄膜干涉的情況會發生變化,這也就解釋了爲什麼從不同角度看,蝴蝶翅膀的顏色會有差異。鳥類的藍色羽毛,也是類似的原理。

神奇吧,用光就能塗顏色。而且結構色最大的優勢就是:不會有“年老色衰”的那一天。

色素分子會隨着時間流逝而氧化褪色,但結構色的“顏料”就是光,只要結構不變,有光的地方總會有絢麗的色彩。所以大閃蝶的標本總是能保持光鮮,永不褪色。不過結構色也有弱點,只要結構發生一些變化,就可能看到一些奇奇怪怪的現象。比如,你可以試着向大閃蝶的翅膀上噴點酒精,原本是藍色的翅膀瞬間就綠了。這不是什麼神奇的化學反應,只是因爲酒精填充到了角質層之間的空氣中,由於酒精和空氣對光的折射率不同,導致經過干涉後產生了綠色光而非藍色光。

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從仿生學的角度,結構色算是目前很熱門的一項技術。想想手機的炫彩背板,就是靠結構色的微納結構做出來的。還有人直接在很小的一塊玻璃上碼了些微納結構,投射覆現了名畫《戴珍珠耳環的少女》。

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(來源:《萬物》雜誌官方微信“把科學帶回家”)

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