關于大學物理教材中孔雀羽毛色彩變化原因的討論

李 艷 陳 敏 王天文

（揚州大學物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225000）

圖1

我們在學習大學物理講到光的薄膜干涉時，教科書上舉了這樣一個例子：一片孔雀的羽毛，咋一看，羽毛表面呈一般的藍綠色，但仔細觀察發現羽毛的顏色在閃爍，如果換個角度或當羽毛在抖動時我們會發現顏色發生了變化，這是一種光的“薄膜干涉現象”.［1］我們通過查閱相關文獻發現，孔雀羽毛顏色變化是“薄膜干涉”現象的解釋是不正確的.［2，3］

圖2

圖3

其實，根據科學家的研究發現雄性孔雀羽毛的顏色不僅來源于色素，還來源于它所具有的特殊的物理結構——生物光子晶體（見圖4）.［5，6］羽毛上的組織生物光子晶體可以對光產生散射和干涉作用，依靠自然光與波長尺度相似的納米光子晶體結構的相互作用而產生顏色，這就是科學家所說的納米結構生色.［3］不只是孔雀的羽毛，很多蝴蝶、蜻蜓的翅膀，甲殼蟲［5，6］和一些水母、海鼠［7］彩虹色的產生也是由于這個原因.

圖4

復旦大學資劍教授的課題組研究發現，［2］雄性孔雀羽毛的小羽枝表皮下面存在著生物光子納米結構.實驗和理論模擬結果顯示，二維周期結構沿表皮方向對于某一波段的光有很強的反射，從而會形成不同的顏色.這種結構對光主要有兩種調控方式：一種是周期長度（也稱為晶格常數）調控，另一種是周期數目調控.表皮下生物光子晶體的結構不同的晶格常數控制著不同的顏色，孔雀羽毛小羽枝的棕色、黃色、綠色、藍色所對應的晶格常數依次減少.研究還發現棕色羽毛的產生有所不同，其晶格常數最小.

有的研究者對雄性孔雀羽毛的結構生色原理作了進一步的研究，他們通過光學顯微鏡等儀器觀察孔雀羽毛小羽枝的微觀結構，證明生物光子晶體的不完全光子帶隙結構使得落在光子帶隙內的光反射加強，并且不同的角度反射光的波長也不一樣，發射出的顏色光彩不同.［3］入射的自然光與周期性的納米結構相互作用產生結構色，角蛋白桿周期性排列的緊密程度以及相互疊加的層數決定了雄性孔雀羽毛呈現黃、綠、藍、棕等不同彩色.正是這種生物光子晶體的周期性產生的光的干涉是雄性孔雀羽毛絢麗多姿的主要原因，也正是如此能使本來沒有顏色的生物體由于結構生色呈現出閃爍斑斕的色彩.對于雌性孔雀的羽毛的研究觀察并不具有這種微觀周期性結構，因此也就不會顯示出絢麗的色彩.

相比于由色素產生的色素色，結構生色的色彩飽和度高且綠色環保，只要保證結構生色材料的折射率和尺寸不變，其顏色就不會消減.生物體內周期性結構生色機理為仿生制作光子晶體提供了依據，可以仿生設計制備出具有類似于孔雀羽毛光子晶體結構的功能復合材料，將在光學器件和光通信領域具有很大應用價值.［7］［8］［9］孔雀羽毛的這種結構生色機理也可應用于改善紡織品著色技術，提高紡織品顏色的深度和鮮艷度.［3］利用結構生色原理能最大限度的減少顏料的使用，從而簡化、縮短整個加工進程，促進紡織業的進一步發展，并且能夠減少污染，省水節能.

1 毛駿健，顧牧，大學物理（下冊）［M］，北京：高等教育出版社2006（1），96－105.

2 Zi J，Yu X，Li Y，et al.Coloration strategies in peacock feathers［J］.PNAS，2003（22）：12576－12578.

3 龔?，盧永凱，王紅鳳等.孔雀羽毛的納米結構生色機理及其仿生結構器件的應用初探［J］.北京大學學報（自然科學版）2010（5）：859－862.

4 潘篤武，賈玉潤，陳善華.光學（上冊）［M］.上海：復旦大學出版社，1997（6）：125.

5 田長鑫.生物光子納米結構分析［J］，企業技術開發，2011（12）：38，48.

6 Parker A R，Martini N.Structural color in animals-simple to complex optics［J］.Optics ＆ Laser Technology，2005（38）：315－322.

7 McPhedran R C，Nicorovici N A，McKenzie D R，et al.Structural colours through photonic crystals［J］.Physica B，2003（1－4）：182－185.

8 Zang Y，Tan Y，Lv Z，et al.Moth wing scales as optical pH sensors［J］.Sensors and Actuators B，2012（166）：824－828.

9 Parker A R.A vision for natural photonics［J］.Phil.Trans.R.Soc.Lond.A，2004：2708－2720.