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科普:什么是微纳结构色,结构色你了解多少?


除了自发光的颜色,生活中的颜色主要包括色素颜色(比如花的颜色),以及结构色(比如孔雀羽毛的颜色)。

 

结构色

 

我们先来看看色素的颜色。大家知道我们通常看到的白光其实是由很多颜色组成的,下图中展示的是牛顿用棱镜将太阳光分解为多种颜色光的实验。

 

牛顿用棱镜将太阳光分解为多种颜色光

 

 

刚才说过,大部分花朵的颜色都是由色素造成的。当白光照射到一朵黄花上时,除了黄光,其他颜色的光都被花吸收,只有黄光反射到我们眼睛里面,因此我们看到花是黄色的。而且不论你从哪个角度观察这朵黄花,它的颜色都不会改变,这是色素颜色的特点。

 

 

花朵

花朵的色素色

 

对于结构色,生活中最常见的例子可能是光盘:从不同角度看一张光盘,我们能看到不同的颜色。这种随观察角度改变而变化的颜色叫虹彩色。

 

光盘的虹彩色

 

把光盘放到显微镜下,我们可以看到光盘表面规则排列的微小结构,这些结构也就是光盘上记录的数据。正是因为这些微小结构,造成了光盘的结构色。

 

50倍镜下的光盘

 

但并不是所有的结构颜色都是彩虹色。例如,东蓝羽毛的颜色也来自结构颜色,但不随观察角度的变化而变化。这种蓝色是由不规则微观结构的光散射引起的。

 

羽毛结构色

东蓝鸲以及蓝色羽毛的无序微观结构

 

让我们仔细看看大自然的结构色彩。第一种结构颜色产生机制是单薄膜干涉,其中膜的厚度要求非常薄。生活中经常看到的例子是水上油膜的颜色。不同颜色的光在不同的入射角和不同厚度的油膜上干扰,导致油膜颜色丰富。

 

单层薄膜干涉示意图(左)和水杉种子中的油在水面形成的薄膜干涉(右)

 

许多昆虫也有薄薄的翅膀,可以干扰薄膜,如图片中的两种昆虫。下次你看到长翅膀的小昆虫时,要在它们的翅膀上寻找美丽的彩虹颜色。

 

昆虫翅膀上漂亮的虹彩色

 

有一种叫青凤蝶的蝴蝶,翅膀上有漂亮的绿色斑点,上面有透明的鳞片。这些鳞片也起到膜干涉的作用,使绿色斑点的颜色更加鲜艳。用显微镜观察红框的区域,透明的鳞片产生的绿色光泽变得更加鲜明。

 

青凤蝶与显微镜下的透明鳞片

 

显微镜下的青凤蝶翅膀,对应上图红框区域

 

另一种结构色的产生机理是光在多层薄膜中发生干涉,多层薄膜是由两种折射率不同的物质交替叠加而成。

 

多层薄膜干涉示意图

 

 对于大多数金属光泽的甲虫来说,它们的壳含有多层薄膜结构。利用电子显微镜观察吉丁虫壳的横截面,可以看到微多层结构。

 

具有金属光泽的吉丁虫(左)外壳截面的电子显微图片(右)

 

另外霓虹脂鲤身上的闪亮蓝带也是因为细胞中的多层结构,下图右下方是逐级放大的示意图,最右面一张示意图展示了细胞中的多层结构。

 

霓虹脂鲤的闪亮蓝带由细胞中的多层薄膜导致

 

还有一种结构色是由光子晶体造成的,所谓光子晶体就是由两种折射率不同的物质周期性排布形成的微观结构。

 

孔雀羽毛的结构颜色来源于羽毛内部的光子晶体结构。在右边,可以看到孔雀羽毛小枝横截面的电子显微镜图片,可以看到周期结构,即光子晶体。

 

孔雀开屏(左)电子显微镜下的羽毛截面(右)

 

另外,喜鹊的尾羽也有彩虹色,这也是由光子晶体引起的,从右羽小枝断面的电子显微镜照片来看,可以看到羽上周期性配置的柱状气孔。

 

黑嘴喜鹊(左)电子显微镜下的尾部羽毛截面(右)

 

许多生物变色也与结构色有关。例如,豹变色龙在放松状态下身体的绿色在压力状态下变为黄色。这种变化的原因是皮肤中的光子晶体从比较密集的排列变化为比较松散的排列。

 

豹变色龙的变色原理

 

结构色技术目前,正越多越多的应用在产品设计中,现在的产品设计师们除了注重产品的传统色彩、材料、工艺外,也更加重视产品外观的装饰纹理效果。

 

这是因为消费者对满足功能性的要求外,对产品结构色的美感和气质体现也提出了更高的期望。

 

产品的结构色可以表现图案的花纹、肌理效果、光影变幻等等。但如今苏州印象团队通过发扬和延伸他们所擅长的全息技术,创作出来一种微纳结构色,构成这种色彩和图案无需印刷等工艺,更环保,且从动态、色彩上也可以表现出更丰富的效果。

 

微纳纹理

 

未来,行业产品的差异化必将越来越小,但消费者对于产品的质感和外观的要求却日益增加,同类化产品如何做到差异性,仅仅从产品的性能上已经很难有大的突破,且需要消耗企业大量的财力和人力成本。这时,良好的表面装饰纹理、CMF的不断创新与优化,对企业不断推出新品、吸引消费者来说是大有裨益,这也是未来产品设计的一大趋势。

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