公園裡三五個孩子，一隻手拿着泡泡液，一隻手拿着沾滿泡泡液的塑膠環，輕輕一吹，然後吹出一串彩色的肥皂泡。一個孩子擡頭看着天空中一直在變色的泡泡，低頭看着手中透明的肥皂，忍不住向小夥伴們問了一些問題。
"氣泡顔色從何而來？"
"我不知道，也許是泡泡魔法？"
呈現五顔六色的肥皂泡|皮克薩拜
問問題的孩子是我，直到很多年後，我才意識到有兩種顔色構成了這個千元世界，一種是顔料，一種是結構。
什麼是結構顔色？
我們更熟悉自然或合成顔色的顔色，而不是結構顔色。
▶綠色蔬菜、青蒿素、西蘭花
這些蔬菜的大部分綠色蔬菜來自天然葉綠素
▶蕃茄、西瓜、木瓜
它們将含有更多的紅色番茄紅素
▶甜菜、棗、紅心和火龍果
它們的紅色來自天然甜菜根
▶藍莓、西梅、黑醋栗
紫色水果和蔬菜通常富含花青素
▶彩色巧克力豆外側明亮酥脆的皮膚
它們的顔色來自合成食用色素
添加色素|的彩色巧克力豆皮克薩拜
這種顔色的出現是因為物品中含有色素，而顔料的化學結構可以吸收特定波長的光，将剩餘的可見光反射到人眼中，并形成我們看到的顔色，是一種顔料顔色。
葉綠素和食用色素的化學結構日落黃|作者畫
無色素、外觀透明但也能産生顔色的物體必須通過特殊的微觀結構形成結構顔色。生活中常見的，如吹出彩色氣泡，CD背;
幾乎所有的蝴蝶都有結構|皮克薩拜
孔雀羽毛也有結構|皮克薩拜
彩色氣泡的奧秘
每種結構顔色都有不同的形成原理，肥皂泡之是以呈彩色，是因為它們隐藏在薄膜中。
因為肥皂泡的薄膜有厚度，當自然光照射到薄膜上時，它會分别通過薄膜的上下表面反射，反射多個頻率相同，振動方向相同，但存在恒定的相位差的光。
肥皂泡膜中光線的反射原理|作者畫
當我們看到反射光時，我們會看到顔色。但是，為什麼在這次折騰之後，反射的白光與自然光不同，而是彩色光呢？這需要拆除自然光。通過肥皂泡膜反射的自然光産生不同波長的彩色光，例如較長波長的紅光，波長較短的藍光等。
自然光和棱鏡的經典實驗|維基百科
當自然光反射在薄膜的上下表面時，會産生多個反射光。反射光的多個波形，這些波形可能重合或交錯。這是因為反射光之間的相位差和薄膜厚度的不确定性，波形不一定重合。
反射光的波形不一定與|作者畫
相同顔色的反射光，如果波形重合，相應的顔色将增強，如果波形隔行掃描，顔色将減少。在圖中，紅色波形重合，是以紅色變得更加明顯，藍色波形變得隔行掃描，是以藍色最終将顯得非常淺。
在實踐中，肥皂泡膜由于重力等原因，厚度不均勻，是以同色光的波形是重合或交錯的，非常随機。紅橙色、黃色、綠色、青色和紫色，每種顔色的光都可能被波形重合強化，然後出現在氣泡上——這就是為什麼我們可以在氣泡上看到各種顔色的原因。在光照下，肥皂泡膜會産生多種結構顔色，稱為單層膜幹涉。
紅橙色，黃色，綠色，藍色和紫色肥皂泡膜|皮克薩拜
事實上，這種由薄膜結構産生的顔色并不少見。當您在廚房中刷油膩的鍋碗瓢盆時，也會出現美麗的色彩，并且油在水槽中的油層中鋪展開來。它與肥皂泡的顔色相同，但很少有人稱贊廚房的油膩之美。
在自然界中，一些昆蟲翅膀是不同厚度的透明膜，在陽光下，翅膀可以幹擾各種顔色，如蜻蜓，在陽光下翅膀可以表現出豐富的結構顔色。
仔細看看翅膀|的蜻蜓皮克斯拜
雙層薄膜，多種顔色
當兩部電影連接配接在一起時，情況會更加複雜。由于這兩層薄膜對光具有不同的折射能力，是以光線穿過它們相當于兩個連續的單層薄膜幹涉。
雙膜幹涉反射更多的平行光|作者畫
在黑暗，低光照的環境中生長的Selaginella uncinata具有這種雙層薄膜結構。這種結構存在于葉子上表皮的外細胞壁中，促使葉子發出藍紫色或藍綠色的光澤，被認為有助于提高植物的光合作用效率。
綠色雲草的藍色光環|Wikipedia， David J. Stang / CC BY-SA （https://creativecommons.org/licenses/by-SA/4.0）
多元、堆疊的魔幻色彩
如果把雙層膜想象成兩種不同的材料縱橫交錯地堆疊，那麼二維光子晶體就堆放着一堆不同材料的棍子，不僅上下交錯，左右都有變化。二維光子晶體的出現，除了明亮的藍綠色外，還賦予了綠頭鴨頸部羽毛金屬光澤。
（生活總會帶來一點綠色）綠鴨子|皮克薩拜
2015年，伯肯大學的Tural Khudiyev和其他人在《科學報告》中揭示了綠頭鴨的奧秘。當研究人員将綠頭鴨的頸部羽毛放在光學顯微鏡下時，他們發現入射光角變小時為綠色，當角度變大時為藍色。這種顔色随入射光的角度而變化，是典型的結構顔色特征之一。
光學顯微鏡下綠頭鴨脖子羽毛的顔色|引用
在放大倍率較大的電子顯微鏡下，當觀察羽毛的部分和橫截面時，可以看到角蛋白包裹在整齊排列的棍子上，形成二維光子晶體。它們的特性，排列間距等都會影響最終出現的羽毛的顔色。
羽|的部分輪廓、橫截面和結構圖引用
那麼，當三維光子晶體上升到另一個檔位時，它看起來是什麼樣子的呢？這可能就像在微觀世界中玩海洋球一樣 - 對光具有不同折射能力的晶體可以堆疊成三維結構，在上，下，右，前和後次元自由排列，通過幹涉産生更多的顔色。
豹變色龍皮膚橫截面的微觀結構在2015年《自然通訊》上報道。來自日内瓦大學的Jérémie Teyssier和其他人發現，雄豹變色龍表皮的兩個虹彩細胞與納米級鴕鳥晶體緊密排列，形成三維光子晶體。
豹變色龍表皮橫截面（c），鴕鳥晶體（白色部分在d / e中）在兩個虹膜細胞中以不同的排列方式|引用
當變色龍受到刺激時，這些晶體的排列間隔會發生變化，影響皮膚折射光線的能力，進而導緻變色效果。
變色龍也有結構|皮克薩拜
結構顔色？使用它
對這些結構顔色的研究也激發了科學家的創新：如果使用光學結構顔色，是不染色，印刷沒有顔料？
2020年6月，來自伊利諾伊大學厄巴納- 香槟分校的Bijal B. Patel和其他人開發了一種3D列印墨水，可以基于結構顔色的原理，可以有多種顔色。
用新奇的墨水，期待形成更有趣的設計|皮克薩拜
這種油墨中使用的材料是一種特殊的鑲嵌聚合物，您可以想象它重複分子的A和B結構，形成以ababaB形式排列的化合物。列印出來後，油墨中的溶劑緩慢蒸發，聚合物在顯微鏡下分離，即分子中的A和B片段間隔開來：A和A團塊，B和B在一起。通過這種方式，可以形成周期性的空間排列，并且可以在光線下輕松産生結構顔色。
蒸發後油墨溶劑的微觀組織|引用
是以，通過控制印刷的速度和溫度，我們可以使用相同的墨水來顯示從紅色到藍色的豐富顔色變化。
列印速度與溫度和色|的關系引用
在傳統繪畫中，藝術家需要将三原色的比例改變為彩色，而當我們用這種油墨列印時，我們隻需要比較色卡，調整列印的速度和溫度，就可以進行彩色繪畫。
五顔六色的黑色也有希望，不是嗎？|皮克薩拜
想象一下，當結構色技術可以在服裝行業廣泛使用時，你還擔心一件衣服不知道該買哪種顔色？
也許衣服要手，在陽光明媚的日子裡是黃色的，在下雨的時候會變成藍色，變成黑暗的房間後又一種顔色。更棒的是，這種微觀結構産生的顔色，怎麼不能洗掉顔色。
作者名片
作者：悲傷的寶貝
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引用：
[1] Shevtsova E.， Hansson C.， Janzen D. H.， et al.透明昆蟲翅膀上顯示的穩定結構顔色圖案[J].美國國家科學， 2011， 108 （2）： 668-673.
王偉， 李玉華， 張偉.熱帶雨林低光植物色彩産生機理及生物學功能研究進展.園藝學報， 2012， 39（11）： 2291-2300.
[3] Khudiyev， T.， Dogan， T.， & Bayindir， M. （2014）。野鴨（Anas platyrhynchos L.）龍頸羽中多功能納米結構的仿生學。科學報告， 4（1）.
[4] 泰西爾，J.等人。光子晶體會導緻變色龍的活性顔色變化。國家通訊6：6368 doi： 10.1038/ncomms7368 （2015）.
B.B. Patel， D. J. Walsh， D. H. Kim， J. Kwok， B. Lee， D. Guironnet， Y. Diao， Tunabled's color of the block of copolymers直寫3D列印解決方案。Sci. Adv. 6， eaaz7202 （2020）.
何家慶.三維仿生光功能材料及其應用研究.上海交通大學， 2018.
七所工程學院，如東南大學。實體 （第五版） （M） . . .高等教育出版社： 北京， 2006.
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