生物的結(jié)構(gòu)色

1、-作者xxxx-日期xxxx生物的結(jié)構(gòu)色【精品文檔】生物的結(jié)構(gòu)色 摘要 花草樹(shù)木，魚(yú)鳥(niǎo)飛蟲(chóng)，自然界中許多生物體都呈現(xiàn)出五彩繽紛的生物色彩匯。通過(guò)查閱資料，本文簡(jiǎn)要的分析的顏色的形成原理，著重研究了結(jié)構(gòu)色的概念、形成機(jī)理和研究現(xiàn)狀，對(duì)自然界中代表性的幾種生物體中存在的結(jié)構(gòu)生色的微結(jié)構(gòu)及其成色機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究。并且結(jié)合結(jié)構(gòu)生色的優(yōu)點(diǎn)，聯(lián)系生活做出相應(yīng)的探索。1.色彩的概念顏色是人眼的一種生理感覺(jué)，是光依賴(lài)于人眼視覺(jué)的一種特殊屬性。光照射到物體上，經(jīng)過(guò)物體的反射或透射后進(jìn)入人眼，形成光刺激。根據(jù)生理解剖學(xué)觀點(diǎn)，人眼產(chǎn)生的視覺(jué)是由于光刺激視覺(jué)神經(jīng)而引起的一種反應(yīng)。光源、物體和觀測(cè)者是顏色知覺(jué)形成中

2、的三個(gè)組成部分，改變其中一個(gè)或多個(gè)，將使顏色知覺(jué)發(fā)生變化。從顏色形成的內(nèi)因分析生物體上的顏色主要可分為兩類(lèi):化學(xué)色和結(jié)構(gòu)色。化學(xué)色是指由色素產(chǎn)生的顏色，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，色素色來(lái)源于電子在分子軌道間的躍遷。自然光入射到色素上，色素分子通過(guò)有選擇性的吸收、反射和透射特定波長(zhǎng)(頻率)的光線從而展現(xiàn)出不同的顏色。由于色素分子對(duì)光的吸收和反射沒(méi)有方向性，所以從各個(gè)方向觀察色素顏色是一致。有些色素還具有許多奇特的光、電和熱性質(zhì)，如光致變色、熱致變色、化學(xué)發(fā)光和電致發(fā)光。色素色有個(gè)非常明顯的缺點(diǎn)，就是色素分子經(jīng)過(guò)一段時(shí)間與空氣中的一些化學(xué)成分發(fā)生化合作用，發(fā)生褪色現(xiàn)象。 自然界中大部分顏色是由色素產(chǎn)生，但是還

3、有一些顏色并非由色素形成而是由非常精細(xì)的微結(jié)構(gòu)形成的結(jié)構(gòu)色。這些結(jié)構(gòu)色通常具有光澤，顏色會(huì)隨視角發(fā)生變化，例如蝴蝶翅色、鳥(niǎo)類(lèi)羽色、歐泊寶石、海產(chǎn)貝殼、甲蟲(chóng)體壁表面等。通過(guò)可見(jiàn)光與物質(zhì)的物理上的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生的對(duì)某些波長(zhǎng)的選擇性反射和透射的效應(yīng)，導(dǎo)致我們感知到的顏色，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)色。和色素色不同的是結(jié)構(gòu)色通常具有方向性，也就是說(shuō)在不同的方向觀察到的顏色不同，即虹彩效應(yīng)。2結(jié)構(gòu)色的形成原理結(jié)構(gòu)色與色素著色無(wú)關(guān)，是生物體亞顯微結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的一種光學(xué)效果。生物體表面或表層的嵴、紋、小面和顆粒能使光發(fā)生反射或散射作用，從而產(chǎn)生特殊的顏色效應(yīng)。例如，鳥(niǎo)類(lèi)的羽色、蝴蝶的翅色主要是由于光的干涉現(xiàn)象所引起

4、的；火雞頭頸周?chē)つw呈藍(lán)色和靈長(zhǎng)類(lèi)臉部、臀部及生殖區(qū)皮膚的藍(lán)色，則是由于入射光中的藍(lán)紫部分被表皮組織中的大量細(xì)小顆粒（其直徑與藍(lán)紫光波長(zhǎng)相當(dāng)）反射出來(lái)，而入射光中的紅黃部分則透過(guò)這個(gè)顆粒層被真皮組織中的黑色素吸收。結(jié)構(gòu)色來(lái)源于光與微觀結(jié)構(gòu)相互作用，一般而言，其光學(xué)效應(yīng)是由下面三種效應(yīng)之一或者由它們的組合而產(chǎn)生的:多層薄膜的干涉效應(yīng);表面或體周期結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的衍射效應(yīng);由亞波長(zhǎng)大小的顆粒產(chǎn)生的波長(zhǎng)選擇性散射口產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)色的物理機(jī)制是物體微結(jié)構(gòu)對(duì)光進(jìn)行的調(diào)制，所以不同的微觀結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生不同的光學(xué)現(xiàn)象2.1多層薄膜的干涉效應(yīng)自然界絕大多數(shù)的結(jié)構(gòu)色都來(lái)源于薄膜干涉。薄膜干涉包括單層膜干涉和多層膜干涉。由

5、單層膜干涉產(chǎn)生顏色的典型例子是肥皂泡擁有的虹彩色。肥皂泡的表面是一層液體膜，光線入射到肥皂泡上將會(huì)在兩個(gè)界面分別發(fā)生反射，不同表面反射的光線將會(huì)發(fā)生干涉 在自然界中，更常見(jiàn)的則是多層周期系統(tǒng)。相比于單層膜而言，由多層膜產(chǎn)生的顏色更加明亮艷麗，飽和度更高，形式也各多樣。多層膜結(jié)構(gòu)基本上有三種形式，如圖（1）所示：第一種為多層層堆結(jié)構(gòu)，每個(gè)層堆由均勻?qū)咏M成，每個(gè)層堆對(duì)某一特定波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制；第二種稱(chēng)為“啁啾層堆”，即高低折射率膜層的厚度沿薄膜垂直方向系統(tǒng)地減薄或者增加；第三種可描述為“混沌層堆”，其高低折射率膜層的厚度是隨機(jī)變化的。后兩種結(jié)構(gòu)中，膜層的層數(shù)隨樣品不同而有所差異，可根據(jù)膜層的厚度和膜層

6、折射率確定反射帶的位置與寬度，進(jìn)而得知呈現(xiàn)的顏色。 衍射是指光波在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)障礙物邊緣或孔隙時(shí)所發(fā)生偏離直線傳播方向的現(xiàn)象，與干涉現(xiàn)象一樣，本質(zhì)上都是基于波場(chǎng)的線性疊加原理。與干涉效應(yīng)相比，由表面或復(fù)雜的次表面周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的衍射效應(yīng)是較少見(jiàn)的。人們可以將自然界的衍射結(jié)構(gòu)分成以下兩種。 第一種為表面規(guī)則結(jié)構(gòu)。一些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為表皮上一系列規(guī)則間隔的平行或近似平行的溝槽或突起，如一種Burgess shale古生物，其表皮有良好的光柵結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)明亮的彩虹色。 第二種就是在光學(xué)波段能產(chǎn)生布拉格衍射效應(yīng)的結(jié)構(gòu)，有時(shí)歸結(jié)為體衍射光柵或光子晶體匯。具有這樣的結(jié)構(gòu)通常稱(chēng)為“具有光子帶隙”的材料。當(dāng)帶隙的范圍

7、落在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，特定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光將不能透過(guò)該晶體。這些不能傳播的光將被光子晶體反射，在具有周期性結(jié)構(gòu)的晶體表面形成相干衍射，產(chǎn)生了能讓眼睛感知的結(jié)構(gòu)色。光的散射分為兩種，與顏色相關(guān)的散射為散射后光的波長(zhǎng)(頻率)不變的散射，即瑞利散射和米氏散射，散射光的顏色與顆粒的大小以及顆粒與周?chē)橘|(zhì)的折射率差有關(guān)。當(dāng)顆粒尺寸小于光波波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之比同波長(zhǎng)的四次方成反比，散射為瑞利散射，此時(shí)短波長(zhǎng)(藍(lán)色)的光會(huì)被優(yōu)先散射，典型例子如天空的藍(lán)色。當(dāng)顆粒大小在3 00run與1 nm之間時(shí)，顆粒都可以觀察到很好的藍(lán)色瑞利散射。當(dāng)散射顆粒尺寸接近或大于光波波長(zhǎng)時(shí)，此時(shí)可使用米氏理論，瑞利散射理論己不

8、再適用，散射顏色不再是藍(lán)色，顆粒有時(shí)會(huì)呈現(xiàn)各種顏色，主要是紅色和綠色。當(dāng)顆粒大小接近I nm時(shí)，大部分的可見(jiàn)光被散射，散射光呈現(xiàn)白色。 從介質(zhì)體系的有序性角度，可將散射分為非關(guān)聯(lián)散射和關(guān)聯(lián)散射。非關(guān)聯(lián)散射指的是無(wú)序體系的散射，每個(gè)散射體與入射光單獨(dú)發(fā)生作用并且相互之間沒(méi)有影響，如瑞利散射和米氏散射屬于非關(guān)聯(lián)散射;關(guān)聯(lián)散射是指體系具有一定有序性、周期性，每個(gè)散射體之間會(huì)產(chǎn)生相互作用。關(guān)聯(lián)散射和非關(guān)聯(lián)散射的一個(gè)區(qū)別就是關(guān)聯(lián)散射會(huì)具有一定的方向性。3. 自然界中的典型例子3.1漂亮的寶石在自然界中發(fā)現(xiàn)的更早的三維光子晶體結(jié)構(gòu)最典型的例子是蛋白石。蛋蛋白石又稱(chēng)歐珀，會(huì)因觀察角度而呈現(xiàn)不同顏色的閃光。因

9、此很久以前就被作為寶石而受到人們的喜愛(ài)。蛋白石是一種天然名貴寶石，盛產(chǎn)于澳洲，其絢麗奪目的色彩是由于存在有序結(jié)構(gòu)。1964 年前后，J. V. Sanders在研究蛋白石的結(jié)構(gòu)時(shí)指出，蛋白石的成分是水合非晶態(tài)二氧化硅，其微觀結(jié)構(gòu)是單分散二氧化硅小球按面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)排列而成。雖然構(gòu)成這種結(jié)構(gòu)的物質(zhì)二氧化硅小球本身沒(méi)有顏色，蛋白石的亮麗色彩是由于內(nèi)部微球的重復(fù)周期與可見(jiàn)光的波長(zhǎng)接近，從而發(fā)生布拉格衍射造成的。其鮮艷的色彩來(lái)自于特殊的周期性結(jié)構(gòu)，因此這種顏色為結(jié)構(gòu)色。自然界中的蝴蝶五彩繽紛，蝴蝶翅膀上的顏色就是來(lái)源于翅膀上的鱗片，鱗片就是你我們平時(shí)捕捉蝴蝶時(shí)手上帶著的粉末。在高倍顯微鏡的觀察

10、下，這些鱗片的形狀千奇百怪，鱗片附著在翅膜上，更準(zhǔn)確的來(lái)說(shuō)有鱗片一部分是插進(jìn)翅膜里的。鱗片像瓦片一樣緊密的排列，用顯微鏡觀察可見(jiàn)鱗片基部有一小柄嵌入翅膀上的凹窩。如下圖 鱗片不排列在一個(gè)平面上，而是高低參差,鱗翅的角度各不相同。如果刮去鱗片，剩下的蝶翅膜透明輕薄如蟬翼，沒(méi)有任何顏色。由于翅膀上鱗片結(jié)構(gòu)不同，所具有的物理屬性也不同而產(chǎn)生的不同顏色。在顯微鏡下，人們可以看到這些鱗片有許多脊紋。某些種類(lèi)的脊紋由許多半透明的薄層組成，有一定角度且充滿(mǎn)空氣，這些結(jié)構(gòu)能使光線產(chǎn)生折射、反射或干擾，從而形成各種各樣的光澤。光澤的變化隨著光照角度的變化而變化，是導(dǎo)致顏色繽紛閃亮的主要因素。這種物理結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的

11、，只是隨著光線強(qiáng)弱的變化，顏色也有強(qiáng)弱變化而已。蝴蝶翅膀上的白色就是結(jié)構(gòu)色，是因翅上微小的透明顆粒將光分散而產(chǎn)生的，其中并沒(méi)有色素。3.3.孔雀的羽毛 孔雀因具有靚麗的色彩而備受科學(xué)家們關(guān)注，尤其是雄性孔雀尾羽中被稱(chēng)作“眼斑”的部分，色彩華麗，光澤閃耀而凸顯精致。采用掃描電子顯微鏡分別觀察了雄性孔雀尾羽“眼斑”處小羽枝表面不同色彩處的 圖像，如圖所示。圖中（）（）分別為“眼斑”處棕、黃、綠、藍(lán)色部分表面放大倍的 圖像?？芍把郯摺碧幱鹈怯稍S多根小羽枝構(gòu)成，在每一個(gè)小羽枝上都存在著竹節(jié)狀的周期結(jié)構(gòu)，直徑約為。棕、黃、綠、藍(lán)色羽毛所對(duì)應(yīng)的竹節(jié)長(zhǎng)度（即結(jié)構(gòu)周期）分別為，和，隨著周期數(shù)的降低，對(duì)應(yīng)色

12、彩的波長(zhǎng)呈遞減的趨勢(shì)。由圖還可知不同色彩的小羽枝在形狀上也呈現(xiàn)出一定的差別，棕、黃色羽毛對(duì)應(yīng)的小羽枝呈含有“竹節(jié)”的圓柱狀，每個(gè)環(huán)節(jié)處凸起，而綠、藍(lán)色羽毛對(duì)應(yīng)小羽枝呈扁平狀，每個(gè)環(huán)節(jié)處略有凹陷。進(jìn)一步研究表明，不同顏色部位每個(gè)小羽枝寬度方向上內(nèi)部含有數(shù)目和緊密程度不同的小鱗片，這些小鱗片通過(guò)一定的膠黏蛋白連接呈格子狀排列，之間的孔洞空隙由空氣填充，這種由小鱗片、膠黏蛋白和空氣孔洞相連接的結(jié)構(gòu)構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)，形成不完全光子帶隙。由于結(jié)構(gòu)周期不同，吸收不同波段的可見(jiàn)光，使“眼斑”呈現(xiàn)出不同的顏色。對(duì)比雄性孔雀尾羽靚麗的色彩，雌性孔雀羽毛則與普通的禽類(lèi)無(wú)太大異樣，一般呈現(xiàn)黑灰色或者棕褐色，圖（）為該類(lèi)羽毛的光學(xué)照片，可知其由許多根小細(xì)枝生長(zhǎng)于中間主枝的兩側(cè)。圖（）中 圖像顯示羽毛中不存在含有竹節(jié)的周期結(jié)構(gòu)，而是一個(gè)個(gè)枝片狀物質(zhì)整齊的排列在主枝上，枝片的末端排列有類(lèi)似于小草的散支狀結(jié)構(gòu)，羽毛色彩源于色素對(duì)光的散射。4 應(yīng)用前景 與色素色相比，結(jié)構(gòu)色也就是物理