火鳥毛的微觀結(jié)構(gòu)及變色機(jī)理的分析

殷熠萍　陳凱麗　許夏昕　楊樹

摘 要：在生物界中，顏色的形成主要來源于色素和光子晶體，而由光子晶體產(chǎn)生的顏色稱為結(jié)構(gòu)色，是由于生物體的微觀結(jié)構(gòu)引起光的干涉、衍射或散射而形成的。本文選取火鳥羽毛作為實驗對象，對其使用OM、SEM進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀測，找尋其結(jié)構(gòu)特征與色彩間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：火鳥毛；結(jié)構(gòu)色；光子晶體

顏色本身并不真正存在，它是由于人類的生理行為再結(jié)合主觀感受，使得光波的振動對應(yīng)為顏色，是可見光對視覺神經(jīng)產(chǎn)生的反映，即一定波長的可見光可產(chǎn)生一定的顏色反映。

在自然界中許多生物體都具有五彩斑斕的色彩，從呈色機(jī)理來看，顏色主要通過化學(xué)生色和物理生色[1]產(chǎn)生，化學(xué)生色是指通過色素產(chǎn)生的色彩，但色素分子對光沒有方向性的反射和吸收，所以從任何角度看光的顏色都是一樣的。而結(jié)構(gòu)色則可隨入射角的變化而改變，其產(chǎn)生的物理機(jī)制是光與光學(xué)尺度的微觀結(jié)構(gòu)的相互作用[2]，因此不同的微觀結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生不同的光學(xué)現(xiàn)象，其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的方式主要有如下幾種。

（1）薄膜干涉。當(dāng)光線入射到單層薄膜時，薄膜上表面的反射光與薄膜下表面反射后的折射光相干，從而對特定波長光的反射加強(qiáng)。當(dāng)薄膜層數(shù)增加時，相干變得越強(qiáng)，最后導(dǎo)致某一特定波段光的完全反射，從而產(chǎn)生明亮的色彩，如寶石甲蟲翅膀上明亮的綠色就是由此產(chǎn)生的，這個過程稱為薄膜干涉[3]。

（2）光子晶體結(jié)構(gòu)中的光子禁帶。在1987年Yabnolovitch[4]和John[5]提出了光子晶體概念，即擁有光子帶隙的周期性介電結(jié)構(gòu)就稱為光子晶體[6]，由于折射率的變化，周期性空間分布也會隨之改變。而具有該結(jié)構(gòu)的材料通常稱為“具有光子帶隙”的材料，當(dāng)帶隙范圍落在可見光范圍內(nèi)，特定波長的可見光會被反射，從而呈現(xiàn)被反射光的顏色。

紡織行業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，也是支撐高新技術(shù)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)。目前市場上彩色面料的顏色大多依靠染料或涂料的染色來實現(xiàn)，但存在著弊端，比如色彩一旦確定就不能修改，無法根據(jù)使用者的要求隨意改變；涂料會嚴(yán)重影響面料的手感；而染料的化學(xué)作用則更會影響面料本身的多種優(yōu)良性能；更為嚴(yán)重的是，兩者都會對環(huán)境造成難以估量的污染，危及著人畜的生命健康。

鑒于此，通過研究自然界色彩呈現(xiàn)規(guī)律，并利用仿生學(xué)的手段，將呈色原理引入到面料的色彩實現(xiàn)中，從而可實現(xiàn)彩色面料的無染化[7]，以達(dá)到綠色環(huán)保、滿足消費(fèi)者隨意改變色彩的要求。

1.火鳥毛的微觀結(jié)構(gòu)光學(xué)顯微鏡分析

1.1實驗對象

本實驗所涉及的試驗對象為火鳥羽毛。火鳥是現(xiàn)代大型鳥之一，其體型僅次于非洲鴕鳥，體高可達(dá)1.5-2米，成年雌性火鳥比雄性大，現(xiàn)多為人工養(yǎng)殖。火鳥羽毛如圖1所示。

1.2實驗儀器

本實驗采用纖維細(xì)度儀顯微鏡，在50×10放大倍數(shù)倍下對羽毛表面形態(tài)進(jìn)行初步地觀察。

1.3實驗結(jié)果

通過肉眼觀察火鳥毛的表面形態(tài)，可發(fā)現(xiàn)火鳥毛在不同的毛隙之間，由于光的可透性可看到不同的色彩。利用顯微細(xì)度儀顯微鏡進(jìn)一步觀察可得如圖2所示結(jié)果，其羽小枝有序地呈線條狀向一個方向排列，直徑約在400～520μm。

2.火鳥毛微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析

雖然從普通顯微鏡試驗結(jié)果中，可整體上對羽毛內(nèi)部的空間排列及其顏色有大致的了解。但是，要達(dá)到研究和分析羽毛微觀結(jié)構(gòu)對可見光作用的目的，普通顯微鏡所達(dá)到的放大倍數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這就需要用更微觀的方法和試驗儀器來精確和微觀地描述羽毛的微結(jié)構(gòu)。

2.1實驗對象

本實驗采用的樣本為火鳥毛。

2.2實驗儀器

QUANTA-250型掃描電子顯微鏡，進(jìn)行5次不同放大倍數(shù)地測試。

2.3實驗結(jié)果

如圖3可觀察到，火鳥毛是由許多根小羽枝構(gòu)成，在每一個小羽枝上都存在著線條狀的周期性結(jié)構(gòu)，直徑約為 260～310μm，線條長度在230.2μm左右，同時可以看出每根小羽枝排布都較雜亂。

3.火鳥羽毛結(jié)構(gòu)參數(shù)與其顏色的關(guān)系分析

羽毛的結(jié)構(gòu)參數(shù)與其顏色的關(guān)系，總結(jié)如表1所示。

4.結(jié)論

由上述實驗觀察分析可得火鳥毛的羽小枝雜亂地排列著，從而導(dǎo)致在不同的毛隙之間，由于光的可透性而呈現(xiàn)不同的色彩。因此從學(xué)習(xí)并了解自然界中，可發(fā)現(xiàn)許多動植物的顏色主要來源

于光與其表面的相互作用，通過研究火鳥毛的微觀結(jié)構(gòu)與其色彩呈現(xiàn)之間的規(guī)律，利用仿生學(xué)手段，可將結(jié)構(gòu)色的呈色原理引入到彩色面料的色彩實現(xiàn)中，從而實現(xiàn)彩色面料的無染化。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張驁，袁偉，周寧，張克勤. 結(jié)構(gòu)生色及其染整應(yīng)用（三）[J]. 印染，2012，（15）.

[2]Parker A. R.， Welch V. L.， Driver D.， Martini N.， Structural colour： Opal analogue discovered in a weevil [J]， Nature， 2003， 426， 786.

[3]Yablonovitch E.， Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics [J]， Phys. Rev. Lett.， 1987， 58， 2059.

[7]韓志武，鄔立巖，邱兆美，任露泉. 紫斑環(huán)蝶鱗片的微結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)色[J]. 科學(xué)通報，2008，（22）.

本研究受國家自然科學(xué)基金資助（No. 51403078）， 國家留學(xué)基金委資助（No.201508330017），浙江省教育廳資助（No.Y201226223）和嘉興學(xué)院重點SRT項目資助（No.851715079）。

（作者單位：嘉興學(xué)院南湖學(xué)院化紡系，浙江 嘉興 314000）