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
龔1，盧永凱2王紅鳳1林素君1
1.北京服裝學院材料科學與工程學院，北京100029;2.清華大學醫學院，北京100084;E-mail:clygy@bift.edu.cn
摘要：孔雀羽毛的絢麗色彩啟發人們考慮是否能夠將羽毛的結構色和動態色中的光子晶體應用于印刷品、紡織品中。通過采用光學顯微鏡和掃描電鏡等手段對孔雀羽毛的微觀結構進行了分析，并參照二維光子晶體結構模型，深入探討混合色的形成機理及結構變化因素對顏色合成的影響。同時結合納米仿生制備技術，提出了人工仿生結構生色思路，初步探討結構生色在印染、紡織等領域的應用前景。
關鍵詞：孔雀羽毛;納米結構;仿生技術;結構生色
中圖分類號：O644
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，它又有什么應用意義呢?《PNAS》雜志刊登了一項研究成果———《孔雀羽毛的色彩策略》［1］，此項研究表明，小羽枝表皮下面的周期結構是羽毛具有顏色的原因。與此同時，Giraldo等［2］在研究蝴蝶翅膀時，也揭示了這個秘密———翅膀上的納米結構是蝴蝶的“色彩工廠”。
納米結構造就了孔雀之美與蝴蝶之艷。自然界中的顏色主要是通過色素來產生，但有些動物經歷進化后選擇了納米結構生色，即依靠自然光與波長尺度相似的納米結構的相互作用而產生顏色。物理學家牛頓第一個提出:包括孔雀在內的鳥類羽毛、昆蟲翅膀等的顏色不完全來源于色素生成。
由此，結構色概念應運而生。結構色是一種無須用染料、顏料著色就能產生的顏色。與染料或色素相比，它最大的特點是避免了印染行業生產和應用的環境污染，徹底解決了著色過程中的污水排放問題，還可以大量節省水電消耗，是當前紡織節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結構的變化，顏色會改變甚至消失;而結構生色能夠產生出更強的
根據文獻［1］，這些外在結構并不是生成色彩的主要原因，因此我們對孔雀羽毛更為微觀的結構進行了觀察。從小羽枝上鎖定一個羽毛裂紋，通過更高倍數進一步放大觀察其微觀結構。圖4為孔雀羽毛黃綠色區域的微觀結構逐步放大圖，放大倍數從1500倍，8000倍，15000倍到最高的25000倍。
該實驗不僅從側面驗證了Zi等［1］的重要發現，同時也更加清晰地看到小羽枝中蛋白纖維的二維光子晶體結構的積聚狀態和形成特征。我們發現這些蛋白質晶體纖維的粗細度均勻，排列方向嚴格按照小羽枝的軸向，所以能夠從物理結構上形成良好的干涉現象，生出絢麗的顏色。該孔雀羽毛黃色區域的蛋白纖維尺度大小為150～160nm，與文獻［4］所指出的產生綠色和黃色的結構尺度比較接近。
2.3孔雀羽毛光學測定
為了進一步確定孔雀羽毛的顏色，我們利用色度儀進行了顏色標定。由于孔雀羽毛的顏色與羽毛測定的角度有關，我們將孔雀羽毛的莖平行放置，測定其黃綠色區域的吸光情況(圖5)。
為了比較不同顏色部分的差別，我們測定了其紅外光譜。從圖6可知，兩個樣品的成分沒有太大區別，證實了孔雀羽毛的生色機制主要是因為物理結構差異。
3·討論
通過對孔雀羽毛結構生色原理進行進一步的研究，證明其不完全光子帶隙結構有著強烈的反光效果，并且向不同的角度發射出不同的顏色光彩。周期性的納米結構與光線作用引起了結構
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