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肥皂泡泡究竟有沒有顏色？是結構色
原創 悲催的鉈寶寶 我是科學家iScientist
公園里的三五個小孩，一手拿著泡泡液，一手揚著沾了泡泡液的塑料圈，輕輕一吹，便吹出了一串串彩色的肥皂泡。有個小孩抬頭看了看天上一直變幻著色彩的泡泡，又低頭看了看手里透明的肥皂液，忍不住向小伙伴發問——
“泡泡的顏色，是從哪兒來的？”
“我也不知道，大概是泡泡有魔法？”
那個發問的小孩就是我，而多年以后我才明白，組成這個萬千世界的顏色有兩類，一類是色素色，一類是結構色。
什么叫做結構色
比起結構色，我們更為熟悉的是那些來自色素的顏色，這些色素可以是天然的，也可能是人工合成的。
? 青菜、茼蒿、西蘭花
這些蔬菜的綠色大多來自于天然葉綠素
? 番茄、西瓜、木瓜
它們會含有較多紅色的番茄紅素
? 甜菜、枸杞、紅心火龍果
它們的紅色，則來自于天然的甜菜紅素
? 藍莓、西梅、黑加侖
紫色的蔬果往往富含著花青素
? 彩色巧克力豆外表那層鮮艷的脆皮
它們的顏色則來自人工合成的食用色素
這類顏色的出現，是由于物品中含有色素，而色素的化學結構能夠吸收特定波長的光、把剩余的可見光反射到人眼中，而形成我們看到的顏色，屬于色素色。
那些不含色素、看起來透明卻也能產生顏色的物體，則是一定是通過特殊的微觀結構形成了結構色。生活中常見的比如吹出來的彩色泡泡，CD的背面；自然界中的不少動物們也擁有結構色，有如蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛。
彩色泡泡的奧秘
每種結構色都有著不太相同的形成原理，而肥皂泡泡呈現彩色，原因就藏在它一層薄薄的膜里。
由于肥皂泡的薄膜有厚度，當自然光照射到薄膜上，它會經薄膜的上、下兩個表面，分別反射出多條頻率相同、振動方向相同，但是存在恒定相位差的光線。
當我們人眼接收到反射出的光線，就看到了顏色。但為什么經過這番折騰，反射出的不是和自然光一樣的白光，而是彩色的光呢？這就需要拆解一下自然光。自然光在經過肥皂泡薄膜的反射時，會產生不同波長的色光，比如波長較長的紅光、波長較短的藍光等等。
當自然光在薄膜的上、下表面分別發生反射，會產生多條反射光。多條反射光的波形，可能重合也可能交錯。這是因為反射光之間存在著相位差，加上薄膜的厚度不確定，波形不一定能重合。
同一色光的反射光，若波形重合，對應的顏色就會增強；若波形交錯，顏色就會減弱。圖示中的情況，是紅光波形發生重合，因而紅色會更明顯；藍光的波形產生交錯，因此最終呈現的藍色會很淡。
在實際情況中，肥皂泡薄膜由于重力等原因，厚度并不均一，因此同一色光的波形是重合還是交錯，非常隨機。赤橙黃綠青藍紫，每種色光都可能因為波形重合而被加強，繼而在泡泡上呈現出來——這也就是我們能在泡泡上看到各類顏色變幻多樣的原因。在光線照射下，肥皂泡薄膜產生多樣的結構色的現象，就被稱為單層薄膜干涉。
其實這種由薄膜結構產生的顏色并不罕見。當你在廚房刷洗著油乎乎的鍋碗瓢盆，油在水池里鋪成薄薄的油膜時，也會出現漂亮的色彩。它和肥皂泡的色彩同出一轍，只是少有人會稱贊廚房油污的美貌罷了。
在大自然，有些昆蟲的翅膀就是一層厚度不等的透明薄膜，在陽光下撲棱時，翅膀便能干涉出多種顏色，比如蜻蜓，在陽光下翅膀就可以呈現出的豐富結構色。
雙層薄膜，多倍色彩
當把兩種薄膜貼在一起時，情況就更復雜了。由于兩種薄膜對光的折射能力不同，光線經過它們時相當于連續發生了兩次單層薄膜干涉。
生長在陰暗低光環境的翠云草（Selaginella uncinata）就有著這樣的雙層薄膜結構。這一結構存在于葉片上層表皮的外側細胞壁內，促使葉片發出藍紫色或是藍綠色光澤，而這種光澤被認為有助于提高植物的光合作用效率。
多重維度，堆疊幻色
如果把雙層薄膜看作是兩種不同材質上下交錯堆疊的話，那么二維光子晶體就是堆著一摞不同材質的棍子，不僅上下交錯，左右也有變化。二維光子晶體的出現，讓綠頭鴨（Anas platyrhynchos）的頸部羽毛除了有著濃艷藍綠色，更泛著金屬般的光澤。
2015年，比爾肯大學的圖拉爾·胡季耶夫茨（Tural Khudiyev）等人在《科學報告》上揭開了綠頭鴨這一羽色的奧秘。當研究者把綠頭鴨頸部羽毛放置到光學顯微鏡下查看，發現入射光角度較小時呈現綠色，而角度變大后呈現藍色。這種隨著光線入射角度變化而變化的顏色，便是典型的結構色特征之一。
在放大倍數更大的電子顯微鏡下，觀察羽毛局部的縱截面和橫截面時，可以看到角蛋白包裹著一根根排列整齊的小棍子，形成二維光子晶體。它們的性質、排列間距等 ，都會影響羽毛最終呈現的顏色。
那么維度再上升一檔，三維光子晶體是什么樣的呢？大概就像在微觀世界玩海洋球了——對光有著不同折射能力的晶體，可以堆疊成三維的結構，在上下、左右、前后三個維度自由地排布，通過干涉產生更多樣的色彩。
2015年《自然·通訊》就曾報道豹變色龍（Furcifer pardalis）表皮橫截面的微觀結構。來自日內瓦大學的熱雷米·泰西耶（Jérémie Teyssier）等人發現，雄性豹變色龍表皮的兩種虹彩細胞中，緊密地排列著納米級的鳥嘌呤晶體，形成了三維光子晶體。
變色龍受到刺激后，這些晶體的排布間隔會改變，從而影響皮膚對光的折射能力，最終呈現出變色效果。
結構生色？用起來
這些結構色的研究也激發了科學家們的腦洞創新：如果利用光學結構生色，是不是染色、打印的時候都不用色素了？
在2020年6月，來自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的比拉爾·帕特爾（Bijal B. Patel）等人以結構生色的原理，研發出了一款可呈現多種顏色的3D打印墨水。
這款墨水采用的材料是特殊的嵌段共聚物，你可以把它想象成重復出現A和B結構的分子，形成了以ABABAB形式排列的化合物。等打印出來后，墨水里的溶劑慢慢蒸發，共聚物發生微觀相分離，也就是分子中的A和B片段會出現空間分離：A和A抱團、B和B在一起。如此一來，可以形成周期性的空間排布，在光線照射下，就能輕松產生結構色。
于是，通過控制打印的速度和溫度，我們可以使用同一墨水呈現出從紅到藍的豐富顏色變化。
傳統的繪畫中，畫師需要通過更改三原色的比例來調色；而我們用這種墨水進行打印時，只需要比照著色卡，調節打印的速度和溫度，就能作出彩色畫了。
想象一下，當結構生色的技術能大量運用于服裝工業時，你還愁一款衣服不知道買哪個配色嗎？
說不定到手的衣服，在陽光晴好的日子里是黃色，在陰雨綿綿時會變成藍色，走進昏暗的室內后還能再變一種色。更棒的是，這種因微觀結構而產生的顏色，怎么洗都不會掉色。
作者名片
編輯、排版：咻咻
題圖來源：Pixabay
參考文獻：
[1] Shevtsova E., Hansson C., Janzen D. H., et al. Stable structural color patterns displayed on transparent insect wings [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2011, 108 (2): 668-673.
[2] 王卅,李玉花,張旸.熱帶雨林低光植物結構色產生機制及生物學功能研究進展[J].園藝學報,2012,39(11):2291-2300.
[3] Khudiyev, T., Dogan, T., & Bayindir, M. (2014). Biomimicry of multifunctional nanostructures in the neck feathers of mallard (Anas platyrhynchos L.) drakes. Scientific Reports, 4(1).
[4] Teyssier, J. et al. Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nat. Commun. 6:6368 doi: 10.1038/ncomms7368 (2015).
[5] B. B. Patel, D. J. Walsh, D. H. Kim, J. Kwok, B. Lee, D. Guironnet, Y. Diao, Tunable structural color of bottlebrush block copolymers through direct-write 3D printing from solution. Sci. Adv. 6, eaaz7202 (2020).
[6] 何家慶. 三維仿生光功能材料及其應用研究[D].上海交通大學,2018.
[7] 東南大學等七所工科院校.物理學（第五版）[M].高等教育出版社:北京,2006.
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