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科普:什麼是微納結構色,結構色你了解多少?

作者:蘇州印象防僞

除了自發光的顔色,生活中的顔色主要包括色素顔色(比如花的顔色),以及結構色(比如孔雀羽毛的顔色)。

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我們先來看看色素的顔色。大家知道我們通常看到的白光其實是由很多顔色組成的,下圖中展示的是牛頓用棱鏡将太陽光分解為多種顔色光的實驗。

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牛頓用棱鏡将太陽光分解為多種顔色光

剛才說過,大部分花朵的顔色都是由色素造成的。當白光照射到一朵黃花上時,除了黃光,其他顔色的光都被花吸收,隻有黃光反射到我們眼睛裡面,是以我們看到花是黃色的。而且不論你從哪個角度觀察這朵黃花,它的顔色都不會改變,這是色素顔色的特點。

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花朵的色素色

對于結構色,生活中最常見的例子可能是CD光牒:從不同角度看一張CD光牒,我們能看到不同的顔色。這種随觀察角度改變而變化的顔色叫虹彩色。

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CD光牒的虹彩色

把CD光牒放到顯微鏡下,我們可以看到CD光牒表面規則排列的微小結構,這些結構也就是CD光牒上記錄的資料。正是因為這些微小結構,造成了CD光牒的結構色。

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50倍鏡下的CD光牒

但并不是所有的結構顔色都是彩虹色。例如,東藍羽毛的顔色也來自結構顔色,但不随觀察角度的變化而變化。這種藍色是由不規則微觀結構的光散射引起的。

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東藍鸲以及藍色羽毛的無序微觀結構

讓我們仔細看看大自然的結構色彩。第一種結構顔色産生機制是單薄膜幹涉,其中膜的厚度要求非常薄。生活中經常看到的例子是水上油膜的顔色。不同顔色的光在不同的入射角和不同厚度的油膜上幹擾,導緻油膜顔色豐富。

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單層薄膜幹涉示意圖(左)和水杉種子中的油在水面形成的薄膜幹涉(右)

許多昆蟲也有薄薄的翅膀,可以幹擾薄膜,如圖檔中的兩種昆蟲。下次你看到長翅膀的小昆蟲時,要在它們的翅膀上尋找美麗的彩虹顔色。

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昆蟲翅膀上漂亮的虹彩色

有一種叫青鳳蝶的蝴蝶,翅膀上有漂亮的綠色斑點,上面有透明的鱗片。這些鱗片也起到膜幹涉的作用,使綠色斑點的顔色更加鮮豔。用顯微鏡觀察紅框的區域,透明的鱗片産生的綠色光澤變得更加鮮明。

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青鳳蝶與顯微鏡下的透明鱗片

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顯微鏡下的青鳳蝶翅膀,對應上圖紅框區域

另一種結構色的産生機理是光在多層薄膜中發生幹涉,多層薄膜是由兩種折射率不同的物質交替疊加而成。

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多層薄膜幹涉示意圖

對于大多數金屬光澤的甲蟲來說,它們的殼含有多層薄膜結構。利用電子顯微鏡觀察吉丁蟲殼的橫截面,可以看到微多層結構。

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具有金屬光澤的吉丁蟲(左)外殼截面的電子顯微圖檔(右)

另外霓虹脂鯉身上的閃亮藍帶也是因為細胞中的多層結構,下圖右下方是逐級放大的示意圖,最右面一張示意圖展示了細胞中的多層結構。

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霓虹脂鯉的閃亮藍帶由細胞中的多層薄膜導緻

還有一種結構色是由光子晶體造成的,所謂光子晶體就是由兩種折射率不同的物質周期性排布形成的微觀結構。

孔雀羽毛的結構顔色來源于羽毛内部的光子晶體結構。在右邊,可以看到孔雀羽毛小枝橫截面的電子顯微鏡圖檔,可以看到周期結構,即光子晶體。

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孔雀開屏(左)電子顯微鏡下的羽毛截面(右)

另外,喜鵲的尾羽也有彩虹色,這也是由光子晶體引起的,從右羽小枝斷面的電子顯微鏡照片來看,可以看到羽上周期性配置的柱狀氣孔。

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黑嘴喜鵲(左)電子顯微鏡下的尾部羽毛截面(右)

許多生物變色也與結構色有關。例如,豹變色龍在放松狀态下身體的綠色在壓力狀态下變為黃色。這種變化的原因是皮膚中的光子晶體從比較密集的排列變化為比較松散的排列。

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豹變色龍的變色原理

結構色技術目前,正越多越多的應用在産品設計中,現在的産品設計師們除了注重産品的傳統色彩、材料、工藝外,也更加重視産品外觀的裝飾紋理效果。

這是因為消費者對滿足功能性的要求外,對産品結構色的美感和氣質展現也提出了更高的期望。

産品的結構色可以表現圖案的花紋、肌理效果、光影變幻等等。但如今蘇州印象團隊通過發揚和延伸他們所擅長的全息技術,創作出來一種微納結構色,構成這種色彩和圖案無需印刷等工藝,更環保,且從動态、色彩上也可以表現出更豐富的效果。

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未來,行業産品的差異化必将越來越小,但消費者對于産品的質感和外觀的要求卻日益增加,同類化産品如何做到差異性,僅僅從産品的性能上已經很難有大的突破,且需要消耗企業大量的财力和人力成本。這時,良好的表面裝飾紋理、CMF的不斷創新與優化,對企業不斷推出新品、吸引消費者來說是大有裨益,這也是未來産品設計的一大趨勢。