淡水有核珍珠暈彩效應(yīng)成因分析

李維

中國地質(zhì)大學（北京）珠寶學院，北京 100083

顏色的產(chǎn)生需要三個要素：可見光、觀察對象和人。光照射到物體表面再反射到人眼，人體的視覺系統(tǒng)產(chǎn)生所看到的顏色。根據(jù)有色物體對光吸收與否，可以把顏色分為色素色與結(jié)構(gòu)色：色素色是物體中含有的致色元素吸收光而呈色；結(jié)構(gòu)色是物體結(jié)構(gòu)與光相互作用的產(chǎn)物[1]，當光線照射到表面或內(nèi)部具有周期性結(jié)構(gòu)的物體上時就能形成結(jié)構(gòu)色，其最大的特征是色彩隨著觀察角度變化。寶石學中的假色就是結(jié)構(gòu)色，如歐泊的變彩、月光石的月光效應(yīng)和拉長石、珍珠的暈彩效應(yīng)。珍珠的顏色是體色、伴色和暈彩的綜合結(jié)果，后兩者合稱為暈彩效應(yīng)。伴色是漂浮在珍珠表面的一種或幾種顏色，暈彩是漂浮在珍珠表面的彩虹色[2]。兩者都是結(jié)構(gòu)色，區(qū)別在于：伴色是大面積的、明顯的，以一種或幾種顏色為主，覆蓋在珍珠表面，有時甚至能蓋過體色；而暈彩更不明顯一些，顏色呈彩虹色。

在前人對寶石結(jié)構(gòu)色的相關(guān)研究中，彭菊艷認為珍珠暈彩效應(yīng)由衍射引起[3]；唐利妹對鮑魚殼暈彩效應(yīng)進行研究，認為鮑魚殼珍珠層的結(jié)構(gòu)色是由一維光子晶體結(jié)構(gòu)導致，并利用甲蟲的晶體模型驗證[4]；李立平則認為鮑魚殼的珍珠層構(gòu)成層狀衍射光柵導致其暈彩[5]；紀麗麗認為馬氏貝珍珠層是一種一維光子晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)引起了馬氏貝的暈彩效應(yīng)[6]；李青梅也認為紫貽貝和圓形淡水養(yǎng)殖珍珠的珍珠質(zhì)是一種一維光子晶體結(jié)構(gòu)[7]；李勃認為鮑魚殼珍珠質(zhì)是一種一維光子晶體并進一步研究了其帶隙結(jié)構(gòu)[8]。HainschwangT.and NotariF.在對日本奈良石榴石的暈彩效應(yīng)的研究中，認為石榴石的暈彩效應(yīng)主要由內(nèi)部出溶層的干涉引起，另外石榴石表面的周期性槽狀結(jié)構(gòu)也引起衍射而成為暈彩效應(yīng)的一部分[9]。在前人文獻中，很少有直接針對珍珠暈彩效應(yīng)的研究，一方面是因為具有強烈暈彩效應(yīng)的珍珠可能價格高昂，比如大溪地珍珠；另一方面，圓形珍珠光學效應(yīng)立體存在，非常復雜，研究難度大。近年來淡水有核巴洛克珍珠出現(xiàn)在市場上，物美價廉、具有強烈的暈彩效應(yīng)，且暈彩分布在較扁平的表面，更易研究。本文對其暈彩效應(yīng)成因進行研究和分析，補充對寶石學結(jié)構(gòu)色的研究。

1 實驗方法

本次全部實驗樣品購自北京紅橋珍珠市場，商家表明樣品全部來自浙江諸暨，品類為淡水有核巴洛克珍珠。市面上有相當多這類產(chǎn)品，個頭普遍較大，外形根據(jù)內(nèi)部核的形狀而改變。本次實驗選取大小適中、形狀較為扁平、珍珠光澤較強且暈彩強烈的樣品10 枚，分別編號為YC1-10。圖1 展示了部分樣品。

圖1 部分樣品Fig.1 Some samples

實驗測試：常規(guī)寶石學測試于中國地質(zhì)大學（北京）珠寶學院寶石實驗室完成；掃描電鏡（SEM)測試于中國地質(zhì)大學（北京）場發(fā)射掃描電鏡實驗室完成，儀器型號為ZEISS SUPRA 55 型掃描儀，實驗條件：加速電壓10kV、室溫18℃、濕度70%，測試樣品為YC-1、YC-8 和YC-9的表面和橫截面碎片，實驗前對其烘干并噴射鉑金；反射光譜測試于中國地質(zhì)大學（北京）珠寶學院實驗室完成，利用Gem3000 光纖光譜儀測定樣品YC2-YC10 表面的反射光譜，再利用光學軟件OpenFilters 模擬反射光譜。

2 測試結(jié)果

2.1 基礎(chǔ)寶石學測試

在中性背景、5000～5500K 色溫下對樣品暈彩效應(yīng)進行肉眼觀察。如圖2 所示，具有深青色伴色的樣品YC-7比具有紫粉色伴色的樣品YC-5 光澤更強，說明暈彩效應(yīng)對珍珠的美麗有重要影響。

圖2 YC-5 和YC-7 暈彩效應(yīng)對樣品光澤的影響Fig.2 Influence of YC-5&YC-7's iridescences on luster

在光學顯微鏡下可以觀察到，珍珠表面具有細膩的等高線狀紋理。圖3-a 中可以看出平坦表面處的暈彩效應(yīng)相對單一，表面起伏處的暈彩效應(yīng)明顯且豐富。圖3-b展示了樣品破碎的斷面，可以發(fā)現(xiàn)不僅是表面具有暈彩效應(yīng)，在暴露的珍珠層上都可以觀察到同樣鮮艷的暈彩效應(yīng)。圖3-c 為破碎后的珍珠內(nèi)核，扁圓片狀，因此表面起伏變化的原因只能是珍珠層厚度，初步判斷暈彩效應(yīng)與珍珠層厚度有關(guān)。

圖3 標本顯微鏡下及基本觀察照片F(xiàn)ig.3 Microscope and basic observation photos of samples

2.2 結(jié)構(gòu)特征分析

2.2.1 光學顯微鏡下薄片觀察

圖4-a 中展示了有核珍珠的核與珍珠質(zhì)的區(qū)別：珍珠核與珍珠質(zhì)由一圈暗色物質(zhì)隔開，該物質(zhì)在正交偏光下呈黑色判斷其為均質(zhì)體，結(jié)合資料[10]認為該物質(zhì)應(yīng)該為有機物。從圖4-b 中可以觀察到珍珠質(zhì)具有明顯的圈層結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)細膩平滑，說明珍珠具有良好的層狀周期結(jié)構(gòu)。在珍珠質(zhì)部分也有暗色線條，間隔大致相等且與珍珠層線條平行，是由生長周期中文石晶體與蛋白質(zhì)交替生長形成的[10]。

圖4 標本YC-1 光學薄片觀察照片F(xiàn)ig.4 Photoes under optical microscope of YC-1

2.2.2 SEM 結(jié)果與分析

對YC-1、YC-8 和YC-9 的表面碎片和橫截面進行SEM 觀察，從圖5-a 可以觀察到表面結(jié)構(gòu)比較疏松而且不規(guī)則，層間寬度在30～40μm，平行度較差，邊緣粗糙而模糊。圖5-b 可以觀察到階梯狀紋理細膩，平行度更高，邊緣清晰明亮，平均層間寬度為10～20μm。

圖5 標本的表面SEM 結(jié)果Fig.5 SEM results of samples' surfaces

觀察珍珠橫截面SEM 結(jié)果（圖6），結(jié)合前人研究[11]可知，珍珠質(zhì)是由大量文石板片交錯疊成，厚度均勻，文石片層垂直生長方向分布。實際上在文石片層之間只有一層較薄的蛋白質(zhì)層，因放大倍數(shù)有限觀測不到，結(jié)合前人資料[6]可知珍珠層是由板片狀文石層和蛋白質(zhì)層呈周期性堆疊而成的。用PS 標尺對珍珠層厚度進行測量，測量方向與生長方向一致，如圖6-c 箭頭所指方向。每10 個珍珠層為一組，根據(jù)圖片實際情況測量3～6 組，最后取平均值計算出文石板片層厚度，結(jié)果如表1 所示。發(fā)現(xiàn)每顆珍珠本身的文石板層厚度均勻，但不同珍珠間差異較大。

圖6 YC-1、YC-8 和YC-9（從左至右）珍珠橫截面SEM 結(jié)果珍珠質(zhì)由文石板層疊成且文石板層厚度均勻Fig.6 YC-1, YC-8 and YC-9 (from left to right) SEM results of their nacre cross section,The nacre is composed of aragonite layers with uniform thickness

表1 珍珠文石板片層的厚度Table 1 The thickness of aragonite sheet

2.3 反射光譜及相關(guān)模擬

圖7 分別為YC-8 和YC-9 的表面反射光譜，可以看出YC-8 在紫區(qū)（400～450nm）和黃綠區(qū)（510～580nm)有兩個反射峰，這與肉眼觀察到的顏色波長范圍相一致，即珍珠表面呈粉紫色、黃色、青綠色的組合色彩。YC-9 在紫區(qū)有反射峰，符合肉眼觀察的粉紫色。

圖7 標本YC-8 和YC-9 反射光譜Fig.7 Reflectance spectra of samples YC-8 and YC-9

利用開源多層膜計算軟件OpenFilter 對珍珠反射光譜進行模擬，文石板層的厚度設(shè)置與實際測試結(jié)果一致，蛋白質(zhì)厚度設(shè)置為30nm，模擬層數(shù)為20 層[12]。圖8 中發(fā)現(xiàn)模擬珍珠層有多級反射光譜，并且隨著模擬厚度變小反射峰出現(xiàn)藍移現(xiàn)象。實際樣品的反射光譜也呈多級反射：一級反射往往在近紅外區(qū)，不在測試范圍；三級反射在實際中能量損失較大；所以從二級反射峰對應(yīng)情況來看，與實際反射光譜能有較高的吻合度，并且實際反射光譜也出現(xiàn)隨著厚度減小出現(xiàn)反射峰藍移現(xiàn)象，這也更符合實際觀察情況，YC-1 呈現(xiàn)淺黃色伴色，而YC-8 和YC-9 均呈現(xiàn)明顯的青色、紫粉色伴色，這符合模擬珍珠質(zhì)二級反射峰的分布情況。由于軟件模擬的條件是一維光子晶體，反射峰的出現(xiàn)是由于光子帶隙的存在[13]，這說明珍珠質(zhì)確實符合一維光子晶體模型。

圖8 模擬反射光譜Fig.8 Simulated reflectance spectra

3 討論

珍珠的暈彩效應(yīng)由伴色和暈彩組成，珍珠的暈彩比伴色更難觀察，當把珍珠傾斜對著光源時，可以觀察到不同于伴色的另一種結(jié)構(gòu)色，即漂浮在伴色上方有一層變化豐富的結(jié)構(gòu)色，這種不好觀察的結(jié)構(gòu)色就是珍珠的暈彩，明顯不同于伴色。尤其是如圖9 所示，SEM 實驗中樣品表面被噴涂鉑金，掩蓋住了珍珠原本的青色、紫粉色伴色，而此時漂浮在表面的這些彩虹色就是珍珠的暈彩，充分證明珍珠的暈彩和伴色不同，因此本次實驗中認為伴色和暈彩是由不同光學機制引起的。

圖9 噴鉑金后珍珠表面暈彩Fig.9 Iridescence on pearl surface after spraying platinum

3.1 伴色呈色機理

根據(jù)反射光譜和相關(guān)模擬可知珍珠質(zhì)是一種一維光子晶體，由文石板層和蛋白質(zhì)層交替組成[10]，這種結(jié)構(gòu)將引起光子禁帶，光不能穿過而只能被反射，形成多層膜干涉[13]，引起珍珠的伴色。根據(jù)SEM 及文石板層厚度計算結(jié)果，伴色與文石板層厚度相關(guān)，YC-1 呈弱淺黃色伴色，YC-8、9 呈強青色、粉紫色伴色，在一定范圍內(nèi)，隨著文石板層厚度變小會引起反射峰的藍移，表現(xiàn)為伴色由黃色到藍紫色的轉(zhuǎn)變。

3.2 暈彩呈色機理

具有周期性結(jié)構(gòu)的物體可以像平面衍射光柵一樣對光進行色散從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，這種周期性結(jié)構(gòu)只要每毫米具有50 至100 光柵，即具有間距為10～20μm 的光柵結(jié)構(gòu)，就能引起光的色散，形成的顏色并非典型的彩虹色，而是多種顏色混合的復雜顏色[9]。SEM 結(jié)果顯示珍珠表面的階梯狀結(jié)構(gòu)在10～40μm 之間，符合平面衍射條件。樣品表面的SEM 結(jié)果顯示珍珠表面質(zhì)量較好的時候，表面階梯狀構(gòu)造更規(guī)則、更細膩均勻，平行度更高，在10～20μm范圍內(nèi)引起更高質(zhì)量的暈彩。

4 結(jié)論

（1）珍珠的暈彩效應(yīng)由伴色和暈彩組成，這兩種結(jié)構(gòu)色分別由不同的機制引起。

（2）伴色由一維光子晶體結(jié)構(gòu)引起，呈現(xiàn)為珍珠表面的大片結(jié)構(gòu)色。伴色受到文石層厚度的影響，根據(jù)測試結(jié)果，一定范圍內(nèi)隨著文石層厚度減小，伴色呈現(xiàn)出更鮮艷的青色、粉紫色，而不是文石層厚度較大時的黃色，這與文石層厚度減小時發(fā)生的二級反射峰藍移有關(guān)。

（3）暈彩由表面衍射光柵引起，呈現(xiàn)為從某些角度觀察漂浮在珍珠表面的結(jié)構(gòu)色。暈彩受到表面階梯狀紋理的影響，當珍珠表面具有細膩、規(guī)則且平行度較好的階梯狀紋理時，將觀察到顏色組成豐富的結(jié)構(gòu)色。

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