摘要：孔雀羽毛的絢麗色彩啟發(fā)人們考慮是否能夠?qū)⒂鹈慕Y(jié)構(gòu)色和動(dòng)態(tài)色中的光子晶體應(yīng)用于印刷品、紡織品中。通過(guò)采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等手段對(duì)孔雀羽毛的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并參照二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型，深入探討混合色的形成機(jī)理及結(jié)構(gòu)變化因素對(duì)顏色合成的影響。同時(shí)結(jié)合納米仿生制備技術(shù)，提出了人工仿生結(jié)構(gòu)生色思路，初步探討結(jié)構(gòu)生色在印染、紡織等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：孔雀羽毛;納米結(jié)構(gòu);仿生技術(shù);結(jié)構(gòu)生色
孔雀因其翅膀上變化多端、絢爛多彩的花紋而使人著迷，這也讓生物學(xué)家們感到疑惑:孔雀令人眼花繚亂的顏色是如何形成的，它又有什么應(yīng)用意義呢?《PNAS》雜志刊登了一項(xiàng)研究成果———《孔雀羽毛的色彩策略》［1］，此項(xiàng)研究表明，小羽枝表皮下面的周期結(jié)構(gòu)是羽毛具有顏色的原因。與此同時(shí)，Giraldo等［2］在研究蝴蝶翅膀時(shí)，也揭示了這個(gè)秘密———翅膀上的納米結(jié)構(gòu)是蝴蝶的“色彩工廠”。
納米結(jié)構(gòu)造就了孔雀之美與蝴蝶之艷。自然界中的顏色主要是通過(guò)色素來(lái)產(chǎn)生，但有些動(dòng)物經(jīng)歷進(jìn)化后選擇了納米結(jié)構(gòu)生色，即依靠自然光與波長(zhǎng)尺度相似的納米結(jié)構(gòu)的相互作用而產(chǎn)生顏色。物理學(xué)家牛頓第一個(gè)提出:包括孔雀在內(nèi)的鳥(niǎo)類(lèi)羽毛、昆蟲(chóng)翅膀等的顏色不完全來(lái)源于色素生成。
由此，結(jié)構(gòu)色概念應(yīng)運(yùn)而生。結(jié)構(gòu)色是一種無(wú)須用染料、顏料著色就能產(chǎn)生的顏色。與染料或色素相比，它最大的特點(diǎn)是避免了印染行業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用的環(huán)境污染，徹底解決了著色過(guò)程中的污水排放問(wèn)題，還可以大量節(jié)省水電消耗，是當(dāng)前紡織節(jié)能減排工作中冉冉升起的“明日之星”。色素生色隨著色素化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，顏色會(huì)改變甚至消失;而結(jié)構(gòu)生色能夠產(chǎn)生出更強(qiáng)的光，所產(chǎn)生的顏色特別明亮，甚至還具有金屬光澤［3］。只要保證結(jié)構(gòu)生色材料的折射率和尺寸不變，其顏色是永遠(yuǎn)不會(huì)消減的。如果把仿生結(jié)構(gòu)生色這個(gè)戰(zhàn)略構(gòu)想實(shí)現(xiàn)于紡織印染領(lǐng)域，會(huì)給該行業(yè)帶來(lái)革命性的改變。
Zi等［1］利用光學(xué)測(cè)量、電子顯微鏡觀察以及理論模擬，研究了孔雀羽毛顏色的來(lái)源。與牛頓的“薄膜干涉”結(jié)構(gòu)生色理論有所不同，他們發(fā)現(xiàn)除了產(chǎn)生干涉的薄膜性結(jié)構(gòu)以外，孔雀羽毛的小羽枝表皮下面還存在著規(guī)律的周期性結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)和理論模擬結(jié)果顯示，二維周期結(jié)構(gòu)沿表皮方向?qū)δ骋徊ǘ蔚墓庥泻軓?qiáng)的反射，從而形成不同顏色。其調(diào)控方式主要有兩種:一種是調(diào)控周期長(zhǎng)度，另一種是調(diào)控周期數(shù)目。不同顏色是由表皮下周期結(jié)構(gòu)不同的周期長(zhǎng)度來(lái)控制的，小羽枝的棕色、黃色、綠色、藍(lán)色所對(duì)應(yīng)的周期長(zhǎng)度依次減少。通過(guò)Fabry-Perot干涉效應(yīng)(F-P效應(yīng))產(chǎn)生的棕色羽毛，其周期數(shù)目最小;再加上F-P效應(yīng)引起額外的藍(lán)顏色，從而混合后呈棕色。
盡管人們已經(jīng)知道了許多鳥(niǎo)類(lèi)羽毛中存在著規(guī)律性的周期結(jié)構(gòu)，但對(duì)于孔雀羽毛顏色來(lái)源的物理機(jī)制還沒(méi)有清晰的了解。為了進(jìn)一步研究孔雀羽毛的仿生應(yīng)用，我們利用顯微鏡研究了不同顏色孔雀羽毛的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在光學(xué)顯微鏡下，孔雀羽毛上的小羽枝表面呈現(xiàn)鮮艷的金屬顏色，同時(shí)存在分段的節(jié)狀結(jié)構(gòu)。
1·材料與方法
實(shí)驗(yàn)材料取自雄性孔雀尾部絢麗多彩的羽毛。實(shí)驗(yàn)儀器包括光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、紅外光譜儀、色譜儀、表面張力儀等。
2·結(jié)果
2.1疏水性測(cè)試
用表面張力儀測(cè)量羽毛表面與水的接觸角可以表征其親疏水性。對(duì)孔雀羽毛進(jìn)行親疏水性測(cè)試的結(jié)果表明，羽毛對(duì)水的接觸角平均值為127°(圖1)，疏水性很強(qiáng)，由此想到“荷葉效應(yīng)”———當(dāng)羽毛的表面有大量突起的納米結(jié)構(gòu)，可以形成強(qiáng)疏水性，表面接觸角會(huì)大大增加。
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