火鳥毛的微觀結構及變色機理的分析

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，而由光子晶體產生的顏色稱為結構色，是由于生物體的微觀結構引起光的干涉、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進行結構觀測，找尋其結構特征與色彩間的關系。

關鍵詞：火鳥毛；結構色；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合主觀感受，使得光波的振動對應為顏色，是可見光對視覺神經產生的反映，即一定波長的可見光可產生一定的顏色反映。

在自然界中許多生物體都具有五彩斑斕的色彩，從呈色機理來看，顏色主要通過化學生色和物理生色[1]產生，化學生色是指通過色素產生的色彩，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。而結構色則可隨入射角的變化而改變，其產生的物理機制是光與光學尺度的微觀結構的相互作用[2]，因此不同的微觀結構將會產生不同的光學現象，其產生結構色的方式主要有如下幾種。

（1）薄膜干涉。當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。當薄膜層數增加時，相干變得越強，最后導致某一特定波段光的完全反射，從而產生明亮的色彩，如寶石甲蟲翅膀上明亮的綠色就是由此產生的，這個過程稱為薄膜干涉[3]。

（2）光子晶體結構中的光子禁帶。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構就稱為光子晶體[6]，由于折射率的變化，周期性空間分布也會隨之改變。而具有該結構的材料通常稱為“具有光子帶隙”的材料，當帶隙范圍落在可見光范圍內，特定波長的可見光會被反射，從而呈現被反射光的顏色。

紡織行業是我國國民經濟的傳統支柱產業，也是支撐高新技術發展的重要產業。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，但存在著弊端，比如色彩一旦確定就不能修改，無法根據使用者的要求隨意改變；涂料會嚴重影響面料的手感；而染料的化學作用則更會影響面料本身的多種優良性能；更為嚴重的是，兩者都會對環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規律，并利用仿生學的手段，將呈色原理引入到面料的色彩實現中，從而可實現彩色面料的無染化[7]，以達到綠色環保、滿足消費者隨意改變色彩的要求。

1.火鳥毛的微觀結構光學顯微鏡分析

1.1實驗對象

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

1.2實驗儀器

本實驗采用纖維細度儀顯微鏡，在50×10放大倍數倍下對羽毛表面形態進行初步地觀察。

1.3實驗結果

通過肉眼觀察火鳥毛的表面形態，可發現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。利用顯微細度儀顯微鏡進一步觀察可得如圖2所示結果，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.火鳥毛微觀結構掃描電鏡分析

雖然從普通顯微鏡試驗結果中，可整體上對羽毛內部的空間排列及其顏色有大致的了解。但是，要達到研究和分析羽毛微觀結構對可見光作用的目的，普通顯微鏡所達到的放大倍數是遠遠不夠的，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構。

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，進行5次不同放大倍數地測試。

2.3實驗結果

如圖3可觀察到，火鳥毛是由許多根小羽枝構成，在每一個小羽枝上都存在著線條狀的周期性結構，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.火鳥羽毛結構參數與其顏色的關系分析

羽毛的結構參數與其顏色的關系，總結如表1所示。

4.結論

由上述實驗觀察分析可得火鳥毛的羽小枝雜亂地排列著，從而導致在不同的毛隙之間，由于光的可透性而呈現不同的色彩。因此從學習并了解自然界中，可發現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構與其色彩呈現之間的規律，利用仿生學手段，可將結構色的呈色原理引入到彩色面料的色彩實現中，從而實現彩色面料的無染化。

[參考文獻]

[1]張驁，袁偉，周寧，張克勤. 結構生色及其染整應用（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. 紫斑環蝶鱗片的微結構及其結構色[J]. 科學通報，2008，（22）.

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

（作者單位：嘉興學院南湖學院化紡系，浙江 嘉興 314000）