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今日科学——Morpho蝴蝶翅膀的结构色

今日科学——Morpho蝴蝶翅膀的结构色

作者: 机设人 | 来源:发表于2023-10-18 21:19 被阅读0次

我们生活在一个多彩的世界,几乎所有的生物都有自己独特的颜色,有些色彩单一,有些色彩丰富,并形成各种各样的花纹和花斑,其中大多数的颜色是由于内部含有各种各样的色素.然而几百年前人们发现,自然界中存在着部分物体,其特有的颜色与表面的微观结构有着紧密的联系.例如,某些晶体、乌类的羽毛、昆虫等呈现出特殊的闪耀色.这种颜色与色素无关,它来源于其表面微观结构的特殊光学效应,因而被称为结构色.具有结构色的物体,其表面存在着一些由颗粒、纹路和脊构成的复杂微观结构,这种结构使光线发生干涉、衍射或色散等效应,并最终产生一些特殊的颜色效应,大多数的结构色都具有一定的金属光泽,例如,孔雀漂亮的尾羽眼斑、鸽子颈部的蓝绿色闪光、白金龟子耀眼的银色等,由于没有色素的影响,所以不涉及褪色问题.改变观察者角度,会看到不同的颜色. 同样,入射光线的角度、波长等因素也能影响到结构色的效果.

作为生物界典型的结构色之一-蝴蝶翅膀的结构色,以其强烈的色调和美丽的形态引起了研究人员的极大兴趣.下面我们简要地从干涉角度解释Morpho 蝶翅结构色形成的原因南美洲的Morpho蝶翅在阳光的照射下呈现出一种闪耀的蓝色光芒,这种惊人的颜色效应由蝶翅上纳米尺度的结构造成,是典型的结构色。Morpho蝶翅交替分布的薄层结构可以看作多个单层薄膜周期性地累加在一起,每片薄层之间由填充介质(通常是空气)隔开,因此形成了薄片层和介质层交替分布的多层结构,入射光经过薄层上表面时,被薄层反射一部分,其他的光线折射进入第一薄层;到达薄层与环境介质的接触面时又有一部分被反射;其他的折射进入介质层,到达介质层与第二层的接触面,光线完成了一个周期路程,在第二薄层与介质层组成的第二个周期,光线会重复上面的过程,并进入下一周期,一直重复直到通过最后一层,这些由各个层面反射回来的光具有同样的方向,并最终汇集到一起,其中一部分光发生干涉相消,另一部分发生干涉相长、这些反射光线干涉是否加强取决于波长的大小、薄层的厚度及萍层的折射率,因此,当白光直接入射到蝴蝶翅膀上时,由于反射光的多层薄膜干涉效应,在某一角度上将会观察到某种颜色的强反射光。

日本一家公司运用纳米科技开发了一种无需用染料、颜色着色的摩尔佛(Morphotex)纤维,它产生颜色的原理正是Moropho蝴蝶产生结构色的多层薄膜干涉原理,因此这种纤维又被称为“蝴蝶纤维”.如果在纺织品中大量运用结构色,那么人类就能在很大程度上避免因使用染料或色素所带来的环境污染问题,同时还能节省水电消耗。

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