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  • 别再陶醉iPhone 12的塑料蓝,这才是真正的高等蓝

    本文来自微信民众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:比邻星,题图来自:视觉中国

    别再陶醉iPhone 12的塑料蓝,这才是真正的高等蓝插图

    此花名为蓝色妖姬,听说非常名贵。

    不过,人间本没有蓝色妖姬,染得色多了也便成了蓝色。蓝色妖姬是一种人工制作的玫瑰种类,经由过程白玫瑰的转基因外加染色处置惩罚,在花瓣中表达了一种叫花翠素的色素(紫罗兰里就有花翠素,所以显现紫色)。说它有数倒没错,毕竟人造也很贫苦。

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    转入紫罗兰的色素基因的玫瑰(图源:wiki)

    纵观全部植物界,蓝色的花的确是有数物种,它们所占的比重不到10%,而且有许多都不是显现纯蓝色,而是花青素在碱性条件下发出的蓝紫色。而另一个事实是,据一项研讨统计,全球最受群众喜好的颜色是蓝色——

    蓝色这么悦目,为何不长在花上?

    花花固然不会根据人类的喜好来开,它们的一切都是为了生存。要想解答为何蓝色的花少见,起首要解答一个初中生物课的典范问题:叶子为何是绿色的?

    因为叶绿素。

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    植物细胞中的叶绿体富含叶绿素(图源:wiki)

    这是个标准答案,可为何偏偏是叶绿素,而不是叶蓝素呢?叶绿素能够协助叶片吸取阳光,特别是红橙光和蓝紫光,它们不喜好绿光,所以绿色光被反射出去,叶片因而显现出绿色。症结就在这里,叶绿素喜好吸取蓝色光,是因为蓝色光含有的能量更高。关于植物来讲,吸取更高能的光芒能够进步能量的吸取效力,它们没有来由摒弃如许的光。

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    (图源:wiki)

    云云经济实惠的蓝色光,被植物坚决果断的吸取,蓝光反射不出来,天然进入不了人的眼睛,这就是蓝色的植物很少见的缘由。

    不过动物界并非如许的风景。比方大蓝闪蝶。

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    (图源:flicker)

    炫彩孔雀。

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    (图源:flicker)

    蓝色蜂鸟。

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    (图源:flicker)

    不对劲。一般来讲,动物身材里的色素许多是依托吃进去的食品来猎取的。比方火烈鸟喜好吃虾,所以它们的身材粉粉的,假如摄取的食品里类胡萝卜素不足,它们看起来就没那末“火烈”了,会显现暗淡一些的灰色或白色。

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    “我要吃虾,我都不粉了。”(图源:flicker)

    世界上蓝色的植物这么少,这些动物究竟是从那里偷来的蓝色呢?

    是光。我们适才提到的一切颜色,都是依托色素显现的,它们属于化学色。但大天然另有另一种战略,简朴来讲就是“用光涂色”,经由过程外表邃密的纳米构造使色光发作过问和衍射,只保存特定波长的色光。如许的颜色被称为“构造色”(structural color),别名“彩虹色”( iridescence color)

    从直观视觉上来讲,构造色看起来闪着金属光泽,有点像时髦配色里的镭射色。而且在差别的角度视察时,会显现出差别的颜色。

    如今让我们把蓝色大闪蝶的翅膀放在显微镜下。

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    放大后的胡蝶翅膀(图源:KQED Science)

    你起首会看到聚集在一起的鳞片。假如你徒手抓过胡蝶,肯定会在手指上留下一些粉末状的东西。那就是胡蝶翅膀上的鳞片。显微镜下的鳞片分列地犬牙交错。

    继承放大,你会发明鳞片并非一个简朴的薄片,它从正面看就像是“圣诞树”,有好几层分叉。实在,每层分叉都是一层角质层,厚度在几十至几百纳米,这些角质层自身都是通明的,相邻的角质层之前隔着氛围层。

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    闪蝶翅膀在电子显微镜下的模样(图源:wiki)

    你能够把它设想成Lady M的千层蛋糕。一层奶油一层班戟薄饼,交替分列。

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    (图源:Lady M)

    角质层发生的效应和番笕泡相似。通明的番笕泡在阳光下会显现彩虹般的炫彩。这是因为番笕泡外表的薄膜会发作薄膜过问。阳光照向通明的薄膜时,一部分光直接在外外表被反射,我们叫它先头军队。另有一部分先折射进入薄膜,在内外表被反射,再折射出薄膜,我们叫它断后军队。射出薄膜后,先头军队和断后军队的两束光相遇,会发作过问。

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    从薄膜前后射出两束反射光芒。(图源:wiki)

    此时,假如两束光走过的旅程差是其波长的整数倍,光波就会叠加,信号会加强,这叫相长(长大的长)过问。

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    光波叠加,信号加强,这就是相长过问。(图源:wiki)

    我们都晓得,差别色光对应着差别的波长。所以经由了薄膜过问,某种特定波长的色光将会变得明显,像个筛子一样筛出了特定的色光。详细什么颜色,取决于薄膜的厚度和光芒的入射角度。薄膜较厚或许入射光芒比较垂直时,泡泡偏蓝色;假如薄膜较薄或许光芒斜射进入,泡泡呈暖暖的黄色。

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    泡泡差别位置的厚薄差别,经由薄膜过问发生的颜色也差别。(图源:wiki)

    我们再说回翅膀的鳞片。番笕泡虽有颜色,但并不猛烈。可假如把好几个泡泡摞在一起呢?鳞片的“圣诞树”上,每一层角质层都相当于一个番笕泡薄膜,当它们垛堞在一起时,薄膜过问结果就会明显加强,假如每一层经由过问都发生了淡淡的蓝色,那末经由6~10层的积累,蓝光一连加重,其他色光一连削弱,终究就可以显现出冷艳亮眼的炫彩蓝色了。当光从差别角度入射时,薄膜过问的状况会发作变化,这也就诠释了为何从差别角度看,翅膀的颜色会有差别。鸟类的蓝色羽毛,也是相似的道理。

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    多层薄膜过问放大了蓝色光。

    至于这些鳞片自身,有些是通明的,有些则含有棕色色素。棕色能辅佐吸取一些滋扰色,使终究的蓝色更鲜亮。

    奇异吧,用光就可以涂颜色。而且,构造色最大的上风就是:不会有年老色衰的那一天。

    色素份子会跟着时候流逝而氧化退色,为古画和旧照片蒙上一层光阴特有滤镜。但构造色的“颜料”就是光,只需构造稳定,有光的处所总会有绮丽的颜色。所以大闪蝶的标本老是能坚持鲜明,永不退色。

    不过也有bug,只需构造发作一些变化,就可能看到一些奇奇怪怪的征象。

    比方,你能够试着向大闪蝶的翅膀上喷点酒精,原本是蓝色的翅膀霎时就绿了。这不是什么奇异的化学反应,只是因为酒精添补到了角质层之间的氛围中,因为酒精和氛围对光的折射率差别,致使经由过问后发生了绿色光而非蓝色光。

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     酒精蒸发,绿色也就消逝了。

    从仿生学的角度,构造色算是现在很热点的一项手艺。想一想手机的炫彩背板,就是靠构造色的微纳构造做出来的。另有人直接在很小的一块玻璃上码了些微纳构造,投射复现了名画《戴珍珠耳饰的少女》。

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    (图源:Photorealistic full-colornanopainting enabled by a low-loss metasurface.)

    参考资料:

    1. Photophysics of StructuralColor in the Morpho Butterflies. Shuichi KINOSHITA  Shinya YOSHIOKA et. al  Physics 2002

    2. Mechanisms of structural colourin the Morpho butterfly: cooperation of regularity and irregularity in aniridescent scale. Shuichi Kinoshita, Shinya Yoshioka et. al Proc Biol Sci. 2002 Jul 22;269(1499): 1417–1421.

    3. Photorealistic full-colornanopainting enabled by a low-loss metasurface. Pengcheng Huo,  Maowen Song et. al optica Vol. 7, No. 9  September 2020

    本文来自微信民众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:比邻星

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