金甲虫,银甲虫,你们的颜色从哪里来?

试想,探险者来到哥斯达黎加的森林探宝,发现这些金光闪闪和银光闪闪的小甲虫,会不会太兴奋?其实这些金甲虫银甲虫不含黄金和白银,它们的金色和银色来自于身体表面的特殊结构,叫做结构色。

除开发光物体不算,物体的颜色的产生原因是人眼感受到某种波长的光线占主导的光,白光是混合的光,各个波长都有。有的物体内的化学物质会吸收光线,那么白光照射以后反射出来一部分光,就显出没被吸收的光的颜色。比如植物的绿叶,吸收的是蓝紫光和红光,反射主来的是绿光。这样的分子吸收产生的颜色叫色素色或化学色,本质上是由于分子能级变化(电子,振动,转动等)选择性吸收光引起的。

有一种情况,哪怕物体不选择性地吸收光,它们反射或散射出来的光也会是有颜色的。比如蓝天,彩虹,CD,肥皂泡,信用卡上的全息印记,还有很多昆虫,蝴蝶,它们的颜色来自于表面的特殊结构。光是一种波,不同波长的折射,散射,干涉,衍射的特征不相同,这些差异结合微观结构可以使物体以不吸收光线的方式产生颜色。

其实声波也受结构影响。小提琴上的四根弦发出不同的音调是因为什么?阿妹说是弦的松紧程度,哥哥补充说还有弦的粗细和材料,看来哥哥的吉他没有完全白学。琴弦发出特定的音调是因为琴弦只允许特定频率发生共振,其它频率的振动抵消了。

DVD 的结构色

爸爸这里有一张DVD,你们看看是不是有五彩缤纷的条纹?这是因为DVD上有密密麻麻的间隔相等的条纹,这些条纹在反射光线时使得光线到达眼睛时走过的路程有一个有规律的差别,当波长的整数倍等于这个路程差时,这个波长的光线才不会衰减,波长不等于路程差的整数倍时,光线互相抵消,这样我们就看到了DVD上单色的光了。DVD比较大,不同位置反射角度导致路程差不一样,所以最强的反射波长也不一样,我们看到的是彩虹颜色。

光线从下方射入,边缘呈黄色。
光线从上射入,边缘呈绿色。

阿妹的宝物箱里有一把扇子,扇坠是一片孔雀羽毛,我们也来检查一下。孔雀羽毛的颜色也是结构色,区别结构色和色素色不是很容易,但是有一点,分子的色素色没有虹彩现象,就是说色素产生的颜色,无论从哪个角度看都是一样的。如果从不同角度看,颜色不一样(虹彩现象),那么这个颜色是结构色,或至少部分是结构色。我们用手电把光打在羽毛上,不同的角度使得羽毛外围一圈从黄色变成了绿色,这就证明了孔雀羽毛的结构色。

结构色有什么用呢?有的动物为了保护自己,是可以改变自己颜色的,这时候结构色就可以发挥用处了。最新的研究发现变色龙的变色并不是传统认为的三层色素细胞张弛,透明度变化引起的,真正的原因是虹细胞,虹细胞中的纳米晶体像DVD一样有规则排列。当变色龙处于平静的状态下时,这些晶体排列紧密,此时光通过时只反射出蓝色,蓝色的结构色与体表含有的黄色素结合,体色呈现为绿色。而当变色龙紧张时,它们会主动控制晶体的疏密程度,使其排列松散,这样反射波长更长的红光、黄光。这样的变化,可以在瞬间完成。

我们一开始说的金甲虫和银甲虫的颜色是由外壳上70层几丁质反射引起的。之所以是闪闪发亮的金色银色,也是自然选择的结果。在其它动物看来,它们就像树叶上的亮亮的水滴。