生物体中的结构色Word文档下载推荐.docx

1、明度、色调和饱和度。明度是人眼对物体明暗的感觉；色调是彩色彼此相互区分的特性；饱和度是指彩色的纯洁性。用一个三维空间纺锤体可以将颜色的三个基本特征明度、色调、饱和度表示出来，如图2。立体的垂直轴代表白黑系列明度的变化；圆周上的各点代表光谱中各种不同的色调；从圆周向圆心的过渡表示饱和度逐渐降低1、2。图2 彩色的三种特性示意图根据以上的介绍，我们可知颜色是一个主观的颜色感知和客观的物理刺激相结合的产物。1983年，美国科学家Kurt Nassau总结了15种可使某种物体被赋予色彩的方式，东华大学宋心远教授按照种类将这15种产生颜色的方法重新归类为5种：（1）电子的振动和简单激发，例如火焰、闪电以

2、及碘等的颜色效应；（2）电子配位场效应的跃迁，如红宝石、祖母绿、绿松石以及各种金属络合染料中的金属络合颜色效应；（3）电子在分子轨道间的跃迁，如绝大多数有机染料和一些无机物的颜色效应；（4）电子在能带中的跃迁，如有色金属、半导体以及色心（紫晶、烟水晶）的颜色效应；（5）几何和物理光学效应，即色散、折射、散射、干涉和衍射的颜色效应。总结起来，即化学染色和物理生色2。2生物体结构色研究现状生物结构色的研究始于十七世纪，Robert.Hook等在1665年推断，孔雀和鸭子羽毛的鲜艳颜色产生于羽毛中用显微镜才能观察到的交替多层空气薄膜对自然光的强烈反射作用。Newton等在1730年出版的著作Opti

3、cks中肯定了这一说法，并指出孔雀鲜艳的颜色由羽毛透明部分的厚度决定。从此结构色渐渐引起了科学家的注意6。二十世纪以来，科学家们不仅从各个领域对结构色理论进行了研究，更对结构色的加工进行了尝试，在对生物界结构色材料广泛研究的基础上，人们制备得到了具有结构色的纳米功能材料，而这种材料主要就光子晶体。光子晶体的制备方法主要通过微加工、激光全息和胶体微球自组装等办法来实现。其中，胶体微球自组装法利用单分散胶体微球间的相互作用自发排列成有序结构，以经济简便的方法获得光子晶体。纳米量级的胶体微球决定了胶体晶体的晶格尺寸是在可见或红外光波段，很容易获得结构色。而且在受限空间内或外场协助下，胶体微球可以很快

4、地实现自组装。如光子晶体球、光子链、光子晶体膜等相关材料都是利用了光子晶体的特性，是人工制备的光子晶体2。光子晶体球的本质是球状胶体晶体簇，表面都是面心立方密堆积结构。由于球形的对称性，无论这些光子晶体球如何旋转，其颜色是不会变化的。光子链是具有链状纳米结构的光子材料。目前，有两种方法来制备光子链材料：一种是在圆柱状空间内的受控自组装，另外一种是磁场引导的胶体微球自组装。而对于光子晶体膜，有报道显示复旦大学游波教授等人利用不同大小的聚合物微球组装制备了不同颜色的光子晶体膜，并研究了纳米二氧化硅颗粒（直径远小于复合软球）掺人到这个体系中对颜色的影响，得到了具有很好强度和机械性能的结构色膜2、11

5、。虽然目前对结构色的研究已经进入实际应用阶段，但是还有一些问题有待解决。就干涉、衍射和散射而言，由于其结构的特殊性，其应用范围较窄，而且大规模制备的成本较高。目前还不能制备出大面积、高质量、元缺陷、低成本的光子晶体，全带隙光子晶体的制备也尚未解决，当在有序结构中引人无序结构，光学性质的响应、纳米结构和色素之间的复杂关系等还未完全了解清楚。最近几年，日本Yukikazu Takeokeml教授课题组利用相分离的方法制备出了无角度依赖的结构色膜，但是如何制备这种无角度依赖的结构色纤维仍是一个需要解决的课题2。3 结构色的形成机理自然界中的一些颜色是由非常精细的微米级结构或者纳米级结构而形成的结构色

6、。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、海产贝壳和甲虫体壁表面等。结构色来源于光与微观结构相互作用，其光学效应是由薄膜干涉效应、衍射效应、散射这三种效应之一或者它们的组合而产生的。能产生这些效应的微观结构有以下几种形式：3.1 薄膜结构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。而在自然界中，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

7、，形式也各多样。多层膜结构基本上有三种形式，如图3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”（chirped stacks），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”（chaotic stack），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。自然界中多层膜往往是不连续的、离散的、甚至是团簇状的，如蝴蝶Papilio palinurus鳞翅和甲虫Hoplia cerulea鞘翅上的颜色

8、都是来源于其表面上的很多微小鳞片，如图3。鳞片就是由变形的多层膜组成，其中有些膜层由角素棒和空气间隔组成，但是它的角素层并不是均一的角素，而是由不同走向的角素棒和空气间隔组成，物理上可以将这种无方向性的角素棒的排列和空气看成一个拥有等效折射率的单一层4。图3 生物体内具有结构色的三种多层膜形式 （A）多层层堆结构 （B）啁啾层堆结构 （C）混沌层堆结构图4雄性甲虫Hoplia cerulean（a）鞘翅外角质层上呈现蓝紫色（b）角质层表面上覆盖的鳞片3.2光栅结构衍射是指光在传播过程中绕过障碍物边缘而偏离直线传播的现象，衍射和干涉的原理都是波场的线性叠加。生物体中源于衍射的颜色大都起源于衍射光

9、栅的作用，衍射光栅就是在垂直于光的传播方向上的周期性的结构。一般说来，要产生衍射作用，衍射光栅的光栅常数是几百纳米。一种产于北美太平洋沿岸各州的靛青蛇，当光线直射在蛇的表皮上时，可以看到强烈的虹彩反射，如图5，这种虹彩色其实就是由这种蛇表皮上凸起的波纹构成的两维光栅引起的。生长在高山上的雪绒花在它的花朵上布满了很多杂乱无章的长纤维，导致光的局域化从而产生白色。在这些长纤维的表面还分布着很多平行排列微小纤维，这些微小纤维的直径为180纳米。它们构成了一个衍射光栅。这种衍射光栅可以将入射的近紫外光耦合成行波模式，从而加长光线在长纤维中传播的路程，尽可能的吸收掉紫外波段的电磁波，防止高山上强烈近紫外

10、线的照射从而保护花朵本身3。图5 靛青蛇3.3 光子晶体光子晶体是一种介电常数周期性变化排布的材料。由于它可以像半导体对电子那样控制光子的传播，并且是由某一个基本单元按一定周期规律排列组成的有序结构，所以被称为光子晶体。根据光子晶体的空间取向不同，光子晶体可以分为一维、二维和三维光子晶体,如图6。图6 光子晶体示意图（一维、二维、三维光子晶体）光子晶体的最根本特征是具有光子禁带，落在禁带中的光是被禁止传播的，因此光子晶体可以抑制自发辐射。当原子被放在一个光子晶体里面，而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时，由于该频率光子的态的数目为零，因此自发辐射几率为零，自发辐射也就被抑制。反过来，只要增

11、加该频率光子的态的数目，便可增强自发辐射。如在光子晶体中加入杂质，光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强。天然的具有完整禁带的三维光子晶体在自然界非常少，为了获取符合我们要求的光子晶体，需通过人工适当地改变一些晶体的对称结构。光子晶体的另一个主要特征是光子局域。在光子晶体中，光子呈现出很强的Anderson局域，如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，和缺陷态频率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置，所以偏离缺陷处的位置光将迅速衰减。当光子晶体理想无缺陷时，根据其边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。但是，一旦晶体原有的对称性被破坏，在光子晶体的禁带

12、中央就可能出现频宽极窄的缺陷态。在垂直于线缺陷的平面上，光被局域在线缺陷位置，只能沿线缺陷方向传播。点缺陷仿佛是被全反射墙完全包裹起来。利用点缺陷可以将光“俘获”在某一个特定的位置，光就无法从任何一个方向向外传播，这相当于微腔5。自然界中比较著名的光子晶体的例子是孔雀羽毛。复旦大学的资剑教授及其研究小组对孔雀羽毛进行散观分析，发现其颜色是由小羽枝表皮处的两维光子晶体结构产生的。孔雀通过改变二维光子晶体结构的晶格常数来控制禁带，即主要反射峰的位置。通过控制周期数目增强法布里珀罗干涉峰的影响强度，从而产生棕色混合色2。3.4非晶结构部分报道中提及，准周期的结构和无序结构也可以构造出结构颜色。研究发

13、现蓝鸟羽毛中的海绵状结构，是具有纳米尺度的短程周期性的准周期结构，且结构的周期和反射峰波长有对应关系。除了纳米尺度的准晶结构，自然界也发展出了非纳米尺度的准晶结构。非纳米尺度的准晶结构虽然不会对颜色的有贡献，却仍然会实现一些非常奇妙的光学功能。另外自然界中无序的微观结构将导致光的散射，进而也会产生人眼观察到的颜色2、3。4 生物体结构色典例分析结构色在自然界中并不少见，蝴蝶斑斓的翅膀，羽毛缤纷的颜色，珍珠耀眼的光芒和昆虫闪亮的外壳这样的例子举不胜举，自然界中的细微结构以及纳米结构而造成的奇异现象，为这个世界增添了许多靓丽的色彩。以下是几种拥有结构色的生物体细微结构及生色机理介绍。4.1 蝶翅微

14、结构蝴蝶鳞片空间形态各异，如图7所示，有的鳞片在端部向翅面弯曲呈拱形，有的端部急剧收敛呈柳叶形，有的扁平呈片状。鳞片的水平尺寸各异，有的横向尺寸从中部向两端递减近似椭圆形，有的横向尺寸基本一致近似长方形。鳞片端部的形状，有的是圆滑无齿裂，呈直线形或弧形，有的有25个齿裂不等。通常具有鲜亮色彩的表层鳞片没有端齿，而基层鳞片绝大多数都是多齿鳞片。蝴蝶翅面鳞片呈覆瓦状局部重叠分布，按线性规律排列。通常基层鳞片均匀密布在整个翅膀表面，而表层鳞片均匀分布在基鳞的表面，位于相邻基鳞间8。图7 蝶翅鳞片形状扫描电镜图下面以Morpho Didius蝴蝶为例具体分析。Morpho Didius鳞翅具有闪亮的蓝

15、色，如图7（a）所示，这种蓝色是由鳞翅上特殊的微纳结构引起的。通过显微镜可以观察到蓝色区域表面鳞片的分布，如图8（b）所示，鳞片的尺寸约为75150m，所有鳞片呈覆瓦状朝向一致排列。图8 Morpho Didius蝴蝶标本（a）蝴蝶全景图（b）鳞翅表面局部图翅面的基底之上生长的鳞片分为表层鳞片和底层鳞片，底层鳞片在蝴蝶显色过程中起着主要作用。鳞片表面结构分布如图9所示，隐约可以见到有模糊的条纹。图9 （a）Morpho Didius蝴蝶鳞翅表面的两种鳞片（b）翅膀基底底层鳞片进一步放大可以发现沿着鳞片长边方向平行排列的模糊的条纹结构，是平行分布的一条条类似山脉的脊状结构，一般称之为脊脉（rid

16、ges）或层脊结构，如图10所示。表层鳞片的脊分布间距约为2m，底层鳞片的脊分布较表层鳞片更加紧凑，间距约为1m；整个上表面都布满了沿着鳞片纵向排列的脊，这些脊相互平行并且相邻之间间距几乎固定，脊的高度远大于相邻脊的间距，使这些近似周期性排列形成了远大于相邻脊的间距，这些近似周期性排列形成了一个衍射光栅结构；在相邻脊的底部无规则地分布着很多横向的短肋状结构，这些短肋与脊交错排列在鳞片上表面从而形成很多网格。图10 Morpho Didius蝴蝶鳞片SEM图（a）表层鳞片（b）底层鳞片将其中的一层脊脉结构进一步放大，单个脊脉的截面像一棵小松树，称之为树状脊，如图11所示。树状脊中间的脊肋有支撑作

17、用。整个脊由一些厚度约为100纳米的薄层与空隙层相互交替叠加而成，这些薄层在脊两侧交替分布，并且宽度随着高度增加而减小，薄层的厚度及相邻薄层的间距则近似均匀不变，与基底呈一定的角度，这些薄层因此组成了复杂的光栅结构，对入射光起到衍射作用。另外，这些脊几乎和鳞片基底是垂直的。表层鳞片的结构类似，但脊状结构分布较底层鳞片稀疏。图11 Morpho Didius 蝴蝶鳞片TEM图综上所述，Morpho蝴蝶鳞翅共同组成了一个复杂的衍射光栅状结构，这种结构因为具有强烈的规律性从而可以形成衍射效应，使得蝴蝶鳞翅显现出亮眼结构色9。4.2孔雀羽毛微结构羽毛是非常复杂的皮肤衍生物。鸟类羽毛中由色素构成的颜色即

18、色素色是其羽毛着色的基本形式，它决定着鸟类羽毛的基本颜色。另外，鸟类的羽毛中还有结构色，由于羽毛上皮表面的凹凸沟纹、羽小枝内的小颗粒、气泡和液泡等对光线所起的折射和干涉作用而形成的色彩。下面以孔雀羽毛为例进行分析。在光学显微镜下，孔雀羽毛上的小羽枝表面呈现鲜艳的金属颜色，同时存在分段的节状结构，表面有清晰的鳞片层，如图12所示。图12 扫描电镜孔雀羽毛的形貌小羽枝的轴直径平均为5080m每个节的长度平均3040m。进一步放大，小羽枝中存在蛋白纤维的二维光子晶体结构。这些蛋白质品体纤维的粗细度均匀，排列方向严格按照小羽枝的轴向，如图13所示 1、10、11。图13 孔雀羽毛的微观结构x1500

19、x8000 x15000和x5000的结构图孔雀羽毛的小羽枝表皮下面的周期性光子晶体结构是羽毛结构生色的原因。实验和理论模拟显示，二维周期结构沿表皮方向对某一波段的光有很强的反射，从而形成颜色。其调控方式有两种，一种是调控周期长度，另一种是调控周期数目。不同颜色是由于表皮下的周期结构的周期长度不同，蓝色、绿色、黄色、棕色小羽枝对应的周期长度依次增大。棕色羽毛还利用了Fabry-Perot干涉效应，其周期数目最小，由F-P效应造成额外的蓝颜色，形成混合色而呈棕色。4.3 珍珠层的微观结构贝壳的形态结构多样，贝壳的结构组成形式也较多，其中双壳纲贝壳的典型结构由内到外主要包括三层：分别为珍珠层；棱柱

20、层；角质层。在贝壳的三个层中，珍珠层的研究最为详细。贝壳珍珠层是在大分子有机质的调控下，碳酸钙文石晶体有序沉积而成的多重微层结构。文右板片是构成珍珠层的基本结构单元，呈假六边形、浑圆形和不规则多边形等多种形态，其宽度一般为2-20 um，厚约300到700nm。文石板片的横向生长使邻近晶体相互聚合形成微层，微层间以厚30nm的有机基质连接构成珍珠层口。贝壳珍珠层中文石板片的堆砌方式主要有砌砖型和堆垛型两种，如图14所示。图14 贝壳珍珠层结构示意图A砖砌型；B堆垛型砌砖型结构主要存在于双壳类软体动物贝壳中，其生长面呈现叠瓦片状形貌，微层以类似阶梯状的方式重叠，新生碳酸钙文石晶体沉积在步阶的边缘

21、通过横向生长延伸与微层聚合。在纵剖面上，文石板片的轴心呈无规则排列状态。堆垛型结构主要存在于腹足类中，在生长边缘处呈现均匀排列的堆垛状结构，新生文石晶体沉积在堆垛的顶端，然后横向生长。由于不同微层的晶体在横向上的生长速度近似相等，使得堆垛保持了锥型形貌。各横向生长的晶体最终相互接触，形成了珍珠层的微层。贝壳的结构色主要表现为鲜艳的彩虹色光泽，由贝壳特殊的微结构与入射光的相互作用而产生。目前，贝壳彩虹色的成因主要有薄膜干涉、光栅衍射以及前两种混合等观点。光栅衍射观点认为衍射光栅结构包括纹道光栅结构和布拉格层状衍射光栅结构两种。对于纹道光栅结构，其呈色机理为当入射光与周期性表面结构相作用，它们可以

22、使光的传播或反射方向发生偏离，从而产生光栅衍射，使不同波长的光衍射至不同方向而产生不同级数的衍射色。对于布拉格层状衍射光栅结构，其反射机理与多层反射结构相类似12-14。5 结论由以上内容可知，生物体中的结构色，是由生物体上特殊的微米级或者纳米级结构使得入射光线产生干涉、衍射和反射等作用而产生的。目前科学家们通过各种手段的分析，已经充分了解了各种生物结构的生色机理，并且在实际应用中也有了很大发展。基于文章以上内容以及所查阅文献获得的知识，本文作者提出以下几点设想。5.1 用于解决噪声污染结构色应用的研究和探索，不局限在颜色一个方面，还可以在声波方面进行展开。目前，噪声污染普遍存在于人们的日常生

23、活中。目前所有的材料按吸声材料按其物理性能和吸声方式可分为多孔性吸声材料和共振吸声结构两大类。众所周知，声音源于物体的振动，它引起邻近空气的振动而形成声波，并在空气介质中向四周传播。多孔吸声材料的吸声机理是当声波入射到多孔材料时，引起孔隙中的空气振动。由于摩擦和空气的粘滞阻力,使一部分声能转变成热能；此外，孔隙中的空气与孔壁、纤维之间的热传导，也会引起热损失，使声能衰减。共振吸声结构当声波入射到材料上时，激发材料作整体振动，为克服材料内部的摩擦而消耗了声能。然而，以上所述材料因为摩擦生热，会使材料老化，另外也并不能完全消除声波。声波和光波一样，都具有波的形式，因此我设想可以根据结构色的机理，制

24、作有特殊纳米结构的表面，使得声波在这些表面能产生干涉、衍射等特殊的效应，声波在这种表面经过多次作用而产生极大损耗，达到消声降噪的目的。5.2 用于吸收紫外线紫外线对人体皮肤能产生一定的危害，甚至引起皮肤癌，因此，人们越来越重视防晒工作。目前的防晒霜是通过无机或有机活性成分起防晒作用的。无机防晒成分通常是氧化锌、氧化钛等无机物，它们可以反射和散射紫外线辐射；有机防晒成分通常羟苯并唑，它可以吸收紫外线辐射，把辐射能量转化成热能。然而，这些有机或者无机添加物在起到防晒的同时，因为有的具有毒性，同样也是对皮肤有害的。能产生结构色的微结构能对光进行多种反应，产生绚丽的颜色，同时也可以将部分色波损耗吸收。

25、根据这个原理，可以设计一种存在特殊结构的微粒，它类似于结构色原理，对有特定波长的紫外线通过特殊作用而将其损耗，在目前的防晒产品里，如防晒霜、遮阳伞、防晒衣等上，通过加入这种结构将紫外线有目的地损耗，达到隔离紫外线的目的。同样的原理，可以设计特殊微结构的材料应用于军事领域，吸收侦测雷达波，从而达到隐身的目的。总而言之，能产生结构色的微结构，不仅在着色领域有着诱人的前景，还可以在其他方面有着广泛的应用，将来的研究可以着眼于其他领域，根据大自然给我们的启示，把我们的生活变得更美好。参考文献1秦佑华.生物体中的结构色研究D上海：复旦大学（光学）20072张骜，袁伟，周宁，张克勤.结构生色及其染整应用前

26、景J印染.2012（13）3刘峰.甲虫的结构色与结构变色研究D上海：复旦大学（光学）20084李家文.生物结构色机理及仿生构色研究D安徽：中国科学技术大学（测试计量技术与仪器）20115胥明.结构色材料的制备及应用D江苏：东南大学（生物医学工程）20106邬文俊. 蝶翅微纳结构的光学特性及变色机理研究D湖北：华中科技大学（机械制造及其自动化）20127李溪. 大面积薄膜结构色成色机理及加工方法D安徽：8邱兆美,韩志武. 蝴蝶鳞片微观结构与模型分析J农业机械学报.2009（11）9杨雪峰. 基于蝴蝶鳞翅结构的环境介质检测实验与仿真研究D湖北：华中科技大学（机械电子工程）201210苏靖,丁绍敏，滕雨红. 羽毛色彩及应用环境下稳定性初探J 轻纺工业与技术.2012（04）11龚龚，王红凤，刘胜男，曹晓和，龙杨俊.孔雀羽毛的仿生纳米结构研究及其在纺织纤维中的应用初探A铜牛杯第九届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集200912 张伟钢. 双壳纲贝壳韧带和珍珠层的结构色及微结构研究D广西：广西大学（化学工艺）200913 张刚生,冯庆玲. 青蛤贝壳韧带的结构色及微结构J矿物岩石染.2006（09）14 张刚生. 大珠母贝韧带中的光子晶体型结构J科学通报.2007（01）